【導(dǎo)讀】?jī)x表、工業(yè)設(shè)備、家用電器等領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的廣泛應(yīng)用。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開關(guān)電源，這一點(diǎn)稱為成本反。設(shè)計(jì)論文主要是利用一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制器UC3842。種原因使輸出電壓升高時(shí)，脈寬調(diào)制器就會(huì)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度，亦即占空比D，使斬波后的平均值電壓下降，從而達(dá)到穩(wěn)壓目的，反之亦然。MOS管、IGBT等，適合于制作20～80W小功率開關(guān)電源。

　　

【正文】 電流檢測(cè)比較器、誤差放大器等。芯片的各個(gè)引腳及用法介紹如下 xx 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 圖 42 UC3842 內(nèi)部電路框圖 1 腳 COMP：輸出 /補(bǔ)償端，誤差放大器的輸出端，外接阻容元件，主要用于對(duì)環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償； 2 腳 VFB：反饋電壓輸入端，管腳電壓與誤差放大器同相端的 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行對(duì)比，產(chǎn)生誤差電壓，從而控制脈沖寬度； 3 腳 IS：電流檢測(cè)輸入端，通過(guò)一個(gè)和開關(guān)管串聯(lián)的電阻將流過(guò)變壓器初級(jí)的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，將此電壓送入 3 腳，從而來(lái)調(diào)節(jié)脈沖寬度。并且當(dāng)取樣電壓大于 1V時(shí)，芯片停止工作，起到保護(hù)開關(guān)管作用； 4 腳 RT/CT：定時(shí)器端，將 RT 和 8 腳 Vref 連接， CT 和地相連，以確定振蕩器的頻率， f =（ RT*CT）； 5 腳 GND：公共地端； 6 腳 OUTPUT：推挽輸出端，圖騰柱式輸出，上升下降時(shí)間僅為 50ns，驅(qū)動(dòng)能力 177。1A； 7 腳 Vcc：直流電源供電端，該芯片的啟動(dòng)電壓為 16V，低壓鎖定門限 10V； 8 腳 Vref：基準(zhǔn) 電壓輸出端，提供 5V 基準(zhǔn)電壓，有 50mA 的帶載能力。 UC3842 的工作原理 在 UC3842 所構(gòu)成的控制電路中，有電壓、電流兩個(gè)控制閉環(huán)回路，電壓控制環(huán)是由反饋電壓回饋到誤差放大器。和芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓比較后產(chǎn)生誤差電壓；電流控制環(huán)是由變壓器初級(jí)電流經(jīng)采樣電阻產(chǎn)生的采樣電壓與誤差電壓進(jìn)行對(duì)比，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，調(diào)節(jié)開關(guān)管的通斷，當(dāng)輸出電壓變低時(shí)，就會(huì)延長(zhǎng)開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，增大占空比，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。 芯片內(nèi)部具體工作過(guò)程分析：反饋電壓與基準(zhǔn)電壓經(jīng)誤差放大器后，得到的誤差電壓作為門限電壓 Ve ，與采樣電阻上得到的采樣電壓 Vs 一起接到電流比較器，當(dāng) VsVe時(shí)，比較器輸出高電平給 SR 鎖存器復(fù)位端 R，則 Q 為高電平，此時(shí)或非門輸出為低電xx 基于 UC3842 的開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì) 16 平，開關(guān)管關(guān)斷：隨后 R 變?yōu)榈碗娖剑?S 也為低電平，所以 Q 保持高電平，開關(guān)管保持關(guān)斷；當(dāng)振蕩器脈沖變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，或非門的輸出將始終為低電平，開關(guān)管仍舊關(guān)斷，但此時(shí) S 為高電平 Q 將變?yōu)榈碗娖?；?dāng)振蕩器脈沖再次變換為低電平時(shí)，由于 S、 R 均為低電平信號(hào)， Q 保持低電平狀態(tài)，此時(shí)或非門輸出為高電平，開關(guān)管再次導(dǎo)通。如此周期性調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定。 UC3842 功能介紹 （ 1） 振蕩頻率的設(shè)置 振蕩器的頻率是由定時(shí)元件 RT 和 CT 決定的。 5V 基準(zhǔn)電壓通過(guò) RT 給 CT 充電，充到 ，在通過(guò)內(nèi)部放電至 ，在 CT 放電過(guò)程中產(chǎn)生一個(gè)消隱脈沖保持或非門輸入為高電平，致使輸出低電平，產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)度可控的靜區(qū)時(shí)間。圖 44 是 RT 和振蕩頻率的關(guān)系曲線，圖 45 是輸出靜區(qū)時(shí)間和振蕩頻率的關(guān)系曲線。需要注意的是雖然很多 RT 和 CT 的組合都能產(chǎn)生同一頻率，但是只有一種組合可以滿足在給定頻率下的特定輸出靜區(qū)時(shí)間。 圖 43 RT 和振蕩頻率的關(guān)系曲線 圖 44 輸出靜區(qū)時(shí)間和振蕩頻率的關(guān)系曲線 （ 2）誤差放大器 UC3842 提供一個(gè)有可訪問反向輸入和輸出的全補(bǔ)償誤差放大器。此放大器具有90dB 的典型直流電壓增益和具有 57o 相位余量的 的增益為 1 帶寬。同相輸入xx 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 在內(nèi)部偏置于 而不經(jīng)管腳引出。典型情況下變換器輸出電壓通過(guò)一個(gè)電阻分壓器分壓，并由反向輸入監(jiān)視，最大輸入偏置電流為 ，它將引起輸入電壓誤差，后者等于輸入偏置電流和等效輸入分壓器源電阻的乘積。誤差放大器輸出（管腳 1）用于外部回路補(bǔ)償。輸出電壓因兩個(gè)二極管壓降而失調(diào)（ ≈）并在連接至電流取樣比較器的反向輸入之前被三分。這將在管腳 1 處于其最低狀態(tài)時(shí)，保證在輸出（管腳 6）不出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)脈沖。 （ 3）電流取樣比較器和脈寬調(diào)制鎖存器 UC3842 作為電流模式控制器工作，輸出開關(guān)導(dǎo)通由振蕩器起始，當(dāng)峰值電感電流到達(dá)誤差放大器輸出 /補(bǔ)償（管腳 1）建立的門限電平時(shí)終止。這樣在逐周基礎(chǔ)上誤差控制峰值電感電流。所用的電流取樣比較器脈寬調(diào)制鎖存配置確保在任何給定的振蕩器周期內(nèi)，僅有一個(gè)單脈沖出現(xiàn)在輸出端。電感電流通過(guò)插入一個(gè)與輸出開關(guān) Q1 的源極串聯(lián)的以地為參考的取樣電阻 Rs 轉(zhuǎn)換成電壓。此電壓由電流取樣輸入（管腳 3）監(jiān)視并與來(lái)自誤差放大器的輸出電平相比較。在正常的工作條件下，峰值電感電流由管腳 1 上的電壓控制，當(dāng)電源輸出過(guò)載或者如果輸出電壓取樣丟失時(shí)，異常的工作條件將出現(xiàn)。在這些條件下，電流取樣比較門限將被內(nèi)部箝位至 。 （ 4）欠壓鎖定 UC3842 采用了兩個(gè)欠壓鎖定比較器來(lái)保證在輸出級(jí)被驅(qū)動(dòng)之前，集成電路已完全可用。正電源端（ VCC）和參考輸出（ Vref）各由分離的比較器監(jiān)視。每個(gè)都具有內(nèi)部的滯后，以防止在通過(guò)他們各自的門限時(shí)產(chǎn)生誤輸 出動(dòng)作。 VCC 比較器上下門限分別為 16V 和 10V。 Vref 比較器高低門限為 和 。 （ 5）輸出 UC3842 有一個(gè)單圖騰柱輸出級(jí)，是專門用來(lái)直接驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 的，在 負(fù)載下時(shí)，它能提供高達(dá) 177。 的峰值驅(qū)動(dòng)電流和典型值為 50ns 的上升、下降時(shí)間。還附加了一個(gè)內(nèi)部電路，使得任何時(shí)候只要欠壓鎖定有效，輸出就進(jìn)入灌電流模式，這個(gè)特性使外部下拉電阻不再需要。 （ 6）參考電壓 帶隙參考電壓 ， 在 TJ=25℃ 時(shí)調(diào)整誤差至： 177。%，它首要的目的是為振蕩器定時(shí)電容提供充電電流。參考部分 具有短路保護(hù)功能并能向附加控制電路供電，提供超過(guò) 20mA 的電流。 外圍電路設(shè)計(jì) 工作頻率設(shè)計(jì) 振蕩器頻率由接在 3842 的 4 腳上的電阻 RT 和電容 CT 決定，頻率為： TTCRf? (41) 假若工作頻率小于 20kHz 進(jìn)入音頻范圍則噪聲較大，紋波增大。若開關(guān)頻率較高時(shí)，開關(guān)損耗增大，系統(tǒng)效率降低。因此確定工作頻率時(shí)要折衷考 慮，實(shí)際選擇工作頻率為 40kHz。 RT 選值為 220K， CT 選值為 200pF 的 電容。本文中 RT、 CT 分別為 R1C16。 xx 基于 UC3842 的開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì) 18 第 5 章 開關(guān)電源設(shè)計(jì) 開關(guān)器件 的選擇 開關(guān)器件的特征 同處理信息的電子器件相比，開關(guān)電源的電子器件具有以下特征： (1) 能處理電功率的大小，即承受電壓和電流的能力是開關(guān)器件最重要的參數(shù)，其處理電功率的能力小至毫瓦級(jí)，大至兆瓦級(jí)，大多遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。 (2) 開關(guān)器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通時(shí) (通態(tài) )阻抗很小，接近于短路，管壓降接近于零，電流由外電 路決定；阻斷時(shí)阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，管子兩端電壓由外電路決定。 (3) 開關(guān)器件的動(dòng)態(tài)特性也是很重要的方面，有些時(shí)候甚至上升為第一位的重要問題。作電路分析時(shí)，為簡(jiǎn)單起見往往用理想開關(guān)來(lái)代替實(shí)際開關(guān)。 (4) 電路中的開關(guān)器件往往需要由信息電子電路來(lái)控制。在主電路和控制電路之間，需要一定的中間電路對(duì)控制電路的信號(hào)進(jìn)行放大，這就是開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路。 (5) 為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致開關(guān)器件溫度過(guò)高而損壞，不僅在開關(guān)器件封裝上講究散熱設(shè)計(jì)，在其工作時(shí)一般都要安裝散熱器。導(dǎo)通時(shí)，器件 上有一定的通態(tài)壓降；形成通態(tài)損耗阻斷時(shí)，開關(guān)器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過(guò)；形成斷態(tài)損耗時(shí)，在開關(guān)器件開通或關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生開通損耗和關(guān)斷損耗，總稱開關(guān)損耗。對(duì)某些器件來(lái)講，驅(qū)動(dòng)電路向其注入的功率也是造成開關(guān)器件發(fā)熱的原因之一。 器件 TL431 TL431 是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從 Vref（ ）到 36V 范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為 歐姆 ，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路、可調(diào)壓電 源，開關(guān)電源等。 其具體功能可用圖 52 的功能模塊示意。由圖可看出， VI 是一個(gè)內(nèi)部的 基準(zhǔn)源，接在運(yùn)放的反相輸入端。由運(yùn)放特性可知，只有當(dāng) REF 端的電壓十分接近 VI 時(shí)，三極管中才會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過(guò)，而且隨著 REF 端電壓的微小變化，通過(guò)三極管，電流將從 1 到 100mA 變化 ， TL431 需要最少 1mA 電流流過(guò)才能工作 。 TL431 特點(diǎn)： （ 1）最大輸出電壓為 36V； （ 2）電壓參考誤差： 177。％，典型值 @25℃ （ TL431B）； （ 3）低動(dòng)態(tài)輸出阻抗，典型 歐姆； （ 4）負(fù)載電流能 力 ~ 100mA； （ 5）等效全范圍溫度系數(shù) 50 ppm/℃ 典型； （ 6）溫度補(bǔ)償操作全額定工作溫度范圍； （ 7）低輸出噪聲電壓。 xx 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 圖 51 TL431 的引腳 圖 52 TL431 的功能模塊示意圖 在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，一般輸出經(jīng)過(guò) TL431（可控分流基準(zhǔn)）反饋并將誤差放大，TL431 的沉流端驅(qū)動(dòng)一個(gè)光耦的發(fā)光部分，而處在電源高壓主邊的光耦感光部分得到的反饋電壓，用來(lái)調(diào)整一個(gè)電流模式的 PWM 控制器的開關(guān)時(shí)間，從而得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓輸出。 電力二極管 電力二極管可分為普 通二極管 , 快恢復(fù)二極管 ,肖特基二極管三種。 (1) 普通二極管 (General Purpose Diode) 普通二極管又稱為整流二極管 (Rectifier Diode)，多用于開關(guān)頻率不高 (1kHz 以下 )的整流電路中。其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在 5s 以上，這在開關(guān)頻率不高時(shí)并不重要。其正向電流定額值和反向電壓定額值可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。 (2) 快恢復(fù)二極管 (FRD) 快恢復(fù)二極管是恢復(fù)過(guò)程很短，特別是反向恢復(fù)過(guò)程很短的二極管，簡(jiǎn)稱為快速二極管?？焖俣O管在工藝上多采用了摻金措施，有的采用 PN 結(jié)型結(jié)構(gòu)，有的采用改進(jìn)的 PiN 結(jié)構(gòu)。采用外延型 PiN 結(jié)構(gòu)的快恢復(fù)外延二極管 (Fast Recovery Epitaxial Diodes， FRED)，其反向恢復(fù)時(shí)間更短 (可低于 50 ns)，正向壓降也很低 ( V 左右 )，但其反向耐壓多在 400 V 以下?？焖俣O管從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)，前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在 100 ns 以下，有的甚至達(dá)到 20~30 ns。 (3) 肖特基二極管 以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢(shì)壘二極管 (SBD)，簡(jiǎn)xx 基于 UC3842 的開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì) 20 稱為肖特基二極 管。肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)很多，主要是：反向恢復(fù)時(shí)間很短 (10~40 ns)，正向恢復(fù)過(guò)程中不會(huì)有明顯的電壓過(guò)沖；在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管；其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高。肖特基二極管的不足之處是：當(dāng)反向耐壓提高時(shí)，其正向壓降也會(huì)高得不能滿足要求，因此多用于 200 V 以下；反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。 光耦 PC817 PC817 是常用的線性光藕，在各種要求比較精密的功能電路中常常被當(dāng)作 耦合器件，具有上下級(jí)電路完全隔離的作用，相互不產(chǎn)生影響。當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)，發(fā)光器發(fā)出光線，照射在受光器上，受光器接受光線后導(dǎo)通，產(chǎn)生光電流從輸出端輸出，從而實(shí)現(xiàn)了 “電 光 電 ”的轉(zhuǎn)換。 普通光電耦合器只能傳輸數(shù)字信號(hào)（開關(guān)信號(hào)），不適合傳輸模擬信號(hào)。線性光電耦合器是一種新型的光電隔離器件，能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或電流信號(hào)，這樣隨著輸入信號(hào)的強(qiáng)弱變化會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的光信號(hào)，從而使光敏晶體管的導(dǎo)通程度也不同，輸出的電壓或電流也隨之不同 ,PC817 光電耦合器不但可以起到反饋?zhàn)饔眠€可以起到隔離作用。 主要應(yīng)用范 圍：開關(guān)電源、適配器、充電器、 UPS、 DVD、空調(diào)及其它家用電器等產(chǎn)品。 圖 53 PC817 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 上圖中： 1 腳為陽(yáng)極， 2 腳為陰極， 3 為發(fā)射極， 4 為集電極。 特點(diǎn)： 電流傳輸比： CTR 最小 50%在 If=5mA， Vce=5V 時(shí) 輸入和輸出之間的隔絕電壓高 Viso（ rms） : xx 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 圖 54 PC817 集射電壓 Vce 與正向電流 If 的關(guān)系 圖 55 與 TL431 配合的電源反饋電路 xx 基于 UC3842 的開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì) 22 啟動(dòng)電路 和 PWM 脈沖控制驅(qū)動(dòng)電路 啟動(dòng)電路設(shè)計(jì) UC3842 啟動(dòng)閾值電壓為 16V，輸 入為 24V 直流電，可直接啟動(dòng) UC3842 工作，本次設(shè)計(jì)直接將 24V 輸入經(jīng)電阻接在芯片的 7 腳上，同時(shí)加上一個(gè)二極管，濾除芯片工作時(shí)產(chǎn)生的震蕩，消除其對(duì)輸入電壓的影響。但是考慮到啟動(dòng)電壓較高， 電阻上的能耗較大，而 工作時(shí) 電壓只需維持在 10 至 16V 即可，所以 在變壓器一端