基于UC1842高可靠电源的设计

基于UC1842高可靠电源的设计

引 言

开关电源是一种新式电能变换技术，由于其具有体积小、重量轻、耗能低、使用方便等优点，在移动通信、航空航天、仪器仪表、自动化、医疗机械等领域应用广泛。中电华星作为相关行业电源专家，根据对开关电源的各种拓扑和控制方式的技术要求，工程实际的实现难易，电器性能及成本等指标的总结，为大家介绍关于应用双环控制原理，采用电流控制型脉宽调制芯片UC1842，通过反激式电源拓扑来实现这款高可靠低纹波多路输出的开关电源。

1 电流型PWM 开关电源介绍

脉宽调制(PWM)控制电路是开关电源的重要组成部分，其作用是产生PWM信号，驱动开关功率管工作于高速开关状态。在开关频率不变的情况下，改变占空比来调节电源前端到后端的电能量，实现DC DC变换。如图1所示，通过调节开关管VT的占空比，即可调节变压器初级绕组储存电能量的多少，进而调节变压器T初级绕组传递到次级绕组的电能量，实现电源前端电能量传递到后端的电能量随占空比变化而线性变化。

现在PWM控制电路普遍采用单片集成PWM控制器，其型号较多，通常分为电压型控制器和电流型控制器两类，前者是一个单闭环电压控制系统，系统响应慢，很难达到较高的线性调整率；而电流型控制器是一个电压、电流双闭环控制系统，较电压控制型电路，具有快速的瞬态响应及较高的稳定性，可实现逐脉冲比较，因此响应速度较快l 。电流型PWM 控制时序图如图2所示。

电源输出电压Uo经过反馈电路，将反映输出电压值大小的电压信号反馈至误差放大器负输人端，通过与误差放大器正输入端的基准电压比较后，输出一个动态误差信号Uy。误差信号又与周期性电流采样信号URs比较后输出一个周期性的复位信号UR,UR与周期时钟US， 信号通过R—S触发器后产生一个固定周期。占空比随输出电压Uo与采样电压URs。变化驱动脉冲UQ。

由于电流型PWM控制电路具有响应速度快，工作稳定的优点，因此本论文实现的高可靠低纹波多路输出开关电源采用UC1842作为开关电源的PWM控制器。UC1842是一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器，它具有外围电路设计简单；具有过流、过压及欠压保护功能；具有电压外环，电流内环的双环控制系统；具有工作稳定，体积小，效率高，纹波小及适用范围广的优点；所以非常适合本电源的设计要求。

2 电源的设计与实现

2．1 设计指标

2．2 UC1842介绍

UC1842是高性能固定频率电流型控制器，专为离线DC—DC变换器应用而设计，为设计人员提供只需最少外部元件就能获得成本效益高的解决方案。此芯片具有频率可调、能进行精确的占空比控制、精准5 V带隙参考源、高增益误差放大器、一体化电流取样比较器、大电流图腾柱输出，可直接驱动M()SFET开关管及具有过欠压保护功能。如图3是基于UC1842的高可靠低纹波多路输出开关电源原理图，可见UC1842只需很少外围器件就可实现开关电源的控制。UC1842引脚1为误差放大器的补偿电路引脚，相当于图1中U 输入端；引脚2为电压反馈输入端，相当于图1中U 输入端；3脚为电流采样输入端，相当于图1中， 输入端；引脚4为振荡器输入端，相当于图1中Us输入端；引脚5为芯片供电地；引脚6为PWM脉冲输出端；引脚7为芯片供电端；引脚8为5 V基准电压输出端。

2．3 电源工作原理说明

输入直流48 V电压经过C1 、L1 及C2 组成的滤波器，滤除48 V电压中噪声后，经过大电容C4的滤波，在变压器初级绕组端形成稳定的直流电压。通过UC1842控制的MOSFET开关管周期性的开通关闭，将变压器初级绕组端的电能传递到变压器二次绕组端，开关管每个周期开通时间长，传递到后端电能就多，反之开关管每个周期开通时间短，传递到后端的电能就少。图3中光耦器件PS2501，TL431组成了本电源的反馈控制电路，而没有采用图1中电阻分压的方式，目的是为了隔离输人输出端，提高电源可靠性。当输出5 V电压Uo发生波动时，通过取样电阻R15 、R1e分压后，就使TL431上的光耦输入电流If产生相应的变化，进而使PS2501中光敏三极管输出电流Ic改变，由于光敏三极管集电级连接在UC1842的8引脚，即5 V基准电压，因此Ic的改变将使UC1842的引脚2处，即电压反馈端电玉发生变化，同时由于采样电阻R10处，电流的变化将使UC1842的引脚3处的即电流采样端电压发生变化。通过UC1842引脚2处电压采样和引脚3处电流采样随输出电压与输出电能的变化，将使UC1842的6引脚输出占空比变化的驱动脉冲，这样就实现了开关电源的双环控制。

图3电源原理图中R 与C 组成了图1中所示的补偿电路。R2、C5与D2组成了RCD吸收电路，此电路的功能是吸收因变压器初级绕组在工作时产生的自感电势，避免在开关管集电极截止瞬间出现过高的反峰高电压损坏开关管而设置的。RT为热敏电阻，防止电源带重载时启动电流过大而设置的。R1是UC1842的启动电阻，在电源启动瞬间，给UC1842提供16 V电压及1 mA的启动电流，之后由变压器供电绕组经过D3整流C6滤波，给UC1842供电。本电路采用单端反激拓扑，是一种比较成熟的电源变换电路，变压器既作为隔离器件，又作为储能器件。

为了降低反激电源尖峰大的特点，特选用漏感小的RM型变压器，初级线圈电感量制作在350μH，供电绕组电感量制作在150μH，副绕组1、2及3电感量分别制作为27μH、90μH及140μH。上述电感值根据不同厂家磁芯会略有不同，可适当调整。在绕制变压器时，供电组要绕在变压器骨架外圈，初级绕组均分两组，一组在内，．一组在外，可防止磁通饱和，影响电源工作。变压器副绕组2和副绕组3分别通过D5和D6整流及C11 和C14 滤波后输出脉动的直流电压，脉动的直流电压经过三端稳压器件后可输出稳定的直流电压。由于三端稳压器件是线性稳压器件，因此输出的电压纹波非常小，经过实测小于20 mV，电源5 V输出端纹波电压小于40 mV。纹波测试采用示波器20 MHz带宽，交流耦合方式，双绞线引出法测试，波形见图4中(a)，(b)图所示。

2．4 开关电源波形图

图4(a)为开关电源中9 V与12 V输出回路的纹波测试图，从图中可看出纹波小于20 mV，设计此回路时，三端稳压器件输入端电压要高输出电压1．7 V以上2．5 V以下。对比图4(b)5 V输出回路纹波测试，可以明显看出，线性稳压器较开关电源具有较低的纹波，由于设计的变压器采用RM 型低漏感磁芯及RCD电路做处理，仍然使5 V电压回路输出纹波小于40 mV。

图4(c)是UC1842的6引脚输出的PWM 驱动波形。图4(d)为此电源空载时，开关管漏极和源级两点的输出波形图。图4(e)为此电源半载时，开关管漏极和源级两点的输出波形图。图4(f)为此电源满载时，开关管漏极和源级两点的输出波形图，可以看出当负载从小变大时，PWM 波形的周期没变，而占空比变大，图中示波器波形图显示了横纵坐标参数。

3 结束语

根据图3原理图，进行了此电源设计并制作了电路板，经过老化、实际测试及应用，性能表现稳定。表1是在空载、半载及全载时所测得5 V、9 V及12 V路输出电压值。

此电源电路设计简单、工作稳定，通过实际测试，各项指标符合设计要求，尤其纹波电压小于40 mV，因此可用于军用、医疗及通信等高端电源系统中。更多电源整体解决方案请联系中电华星电源应用工程师。