基于UC3842PWM控制芯片的反激式AC-DC开关电源设计

电子设备的供电离不开直流电源，直流电源的作用主要是将交流电转换为稳定的直流电。现代电子设备不仅要求直流电源输出稳定的直流电，对电路的效率也要求越来越高，要求电源要耐用、体积要小等。开关电源的调整管因工作在开关状态，功耗很小，所以开关电源的效率非常高、同时又具备输出稳定、体积小等优点，因此设计和开发高性能的开关电源具有很大的市场前景。本文基于UC3842PWM控制芯片设计了一种反激式AC-DC开关电源，输入电压为交流80〜265V，输出电压为直流12V电流5A，电压纹波<±50mV。  

1.UC3842内部结构

UC3842是应用比较广泛的一种电流控制型PWM(PulseWidthModulation，脉冲宽度调制)控制器，其内部结构原理图如图1所示。主要由振荡器、误差放大器、电流检查比较器、PWM锁存器、基准电压等功能模块构成。

　　图1 UC3842的内部结构图  

2.AC-DC开关电源总体设计框图

AC-DC开关电源的总体设计框图如图2所示。电路主要由输入保护电路和EMI(Electron-MagneticInterference:电磁干扰)滤波器、输入整流滤波电路、功率开关管、高频变压器、输出整流滤波电路、PWM控器电路及电压反馈电路等部分组成。

　　图2 AC-DC开关电源设计框图 80〜265V交流电经过输入整流滤波获得直流高压，再由功率开关管Q斩波、高频变压器T降压，得到高频矩形波电压，然后通过输出整流滤波后获得所需要的直流输出电压Uo。PWM调制器产生频率固定而脉冲宽度可随反馈信号调节的驱动信号，控制开关管的通、断时间，从而达到自动稳定输出电压和输出电流的目的。  

3.单元电路设计 3.1输入保护电路和EMI滤波器

输入保护电路和EMI(Electron-MagneticInterference:电磁干扰)滤波电路设计如图3所示。电路中熔丝管FU，热敏电阻Ri和压敏电阻Rv构成输入保护电路，当输入发生短路等故障时能快速切断电源，保护电路。压敏电阻Rv可旁路浪涌电压，防雷击保护。

　　图3 输入保护电路和EMI滤波器 EMI滤波电路由共模扼流圈L、滤波电容Cx1、Cx2、CY1、CY2构成，能有效滤除电网高频噪声，提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性。当出现共模干扰时，由于L的两个磁通方向相同，经过耦合对共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过。Cx1和Cx2跨接在两条电源线之间，可用来滤波线间干扰，即串模干扰;CY1和CY2串联后接在两条电源线之间，并将电容器中点接大地，能有效抑制共模干扰。 　　

3.2输入整流滤波电路

输入整流滤波电路采用桥式整流电容滤波电路结构，如图4所示。50Hz交流电压经过全波整流后变成脉动直流电压，再经过滤波电容滤波得到直流高压电U1。

　　图4 输入整流滤波电路 3.3反激变换器 DC-DC变换器采用的是反激变换器拓扑结构，如图5所示，包括功率开关管Q1、高频变压器T1及输出整流滤波电路。

　　图5 反激变换器 Q1功率开关管的栅极接PWM输出信号，当栅极输入高电平时，开关管导通，输入低电平时，开关管截止。当开关管导通时，电流流过变压器初级线圈Np，而此时次级整流二极管截止，次级无电流流过，电能储存在高频变压器的初级电感线圈中Np中;当开关管关断时，初级线圈电流关断，所有绕组电压反向，整流二极管导通，初级线圈上的电能传输给次极绕组，并经过次级整流二极管D2整流、C3、C4、C5、L1组成的π型滤波器滤波后得到所需直流电压。   图中D1、C1、R1构成漏极钳位保护电路。当开关管由导通变成截止时，在一次绕组上产生尖峰电压和感应电压，与直流高压叠加在MOS管的漏极，很容易击穿开关管，漏极保护电路则可吸收产生的尖峰电压。  

3.4PWM控制电路

PWM控制电路采用UC3842集成芯片进行设计，如图6所示。

　　图6 PWM控制电路 电路中变压器的另一次级绕组NS2及其所连接的二极管D3、电容元件C6、C7构成反激式开关电源的另一路直流输出为UC3842提供直流电压。   在UC3842的1脚和2脚之间并接R2和C8，对内部误差放大器进行补偿。输出反馈电压经2脚送到内部的误差比较放大器，与内部的基准电压进行比较，产生的误差信号送到内部电流检测比较器。流过开关管的电流(即初级电感导通时电流)经过R8采样，转换成电压，经R4和C11高频滤波后送入到芯片3脚。   内部振荡电路频率由4脚外接的R3和C10确定，内部振荡电路的频率决定PWM输出脉冲信号的频率，而PWM输出信号的脉冲宽度则随反馈电压的大小而变化。如果2脚的反馈电压变高，则PWM控制电路会使输出脉冲的宽度变窄，占空比减小，功率开关管Q1的导通时间变短。

  3.5电压反馈电路

电压反馈电路采用线性光电耦合器、三端可调稳压管以及由R4、R5、R6组成输出电压采样电路组成，设计电路如图7所示。

　　图7 电压反馈电路 输出电压经米样电阻R4、R5、R6分压，分压后的电压控制可调稳压管DZ的稳压值。当输出电压降低时，经采样电阻分压后输入到可调稳压管DZ的参考电压也降低，可调稳压管的稳压值减小，从而流过光耦中发光二极管的电流增加，光增强，流过光耦中光电三极管的电流也相应的增加，在反馈电阻R8上形成的反馈电压也增加，反馈电压送入到PWM控制器中，经过PWM控制电路使输出脉冲的宽度变宽，占空比增加，则功率开关管9的导通时间增加，输出电压增加，从而使输出电压稳定，反之亦然，从而达到稳疋输出电压的目的。  

4.电路测试结果与分析

电路测试波形如图8所示

　　图8 电路测试波形 1)空载时开关管栅极电压波形如图8(a)所示。 2)有载时开关管栅极电压波形如图8(b)所示。   由这两个波形图对比可以看出，当输出端带负载时，输出电压会降低，但经过PWM控制电路输出的送入到开关管栅极的脉冲电压宽度变宽，开关管的导通时间变长，输出电压增加，从而使输出电压稳定。 3)空载时变压器输出端两端电压波形如图8(c)所示。 4)有载时变压器输出端两端电压波形如图8(d)所示。  

这两个波形和栅极电压波形进行比较，可知当栅极电压为正，开关管导通时，变压器原方线圈中有电流流过，但变压器付方(输出端)两端电压为负，所以该变换器是一个反激变换器。 5)直流耦合时测得的输出电压波形如图8(e)所示。 6)交流耦合时测得的输出纹波电压如图8(f)所示。 从这两个测试结果可以看出输出电压稳定在+12V，输出电压的纹波限制在±20mV内，满足设计要求。  

结束语

针对现代电子设备不仅要求直流电源输出稳定的直流电，对电路的效率要求也越来越高等要求，本文以UC3842为PWM控制器，首先交流电直接经过整流滤波变换为直流高压，然后采用反激变换器，利用线性光电耦合器、三端可调稳压管以及采样电阻构成输出电压反馈电路，设计了一种反激式AC-DC开关电源，性能达到了预期指标要求，该设计电路具有精度高、纹波小、效率高、性能可靠等优点。  

编辑：黄飞