基于UC3842开关稳压电源的设计

时间:2009-05-14 09:03来源:世纪电源网

摘要:1.总体设计方案论证开关电源由隔离变压器、整流滤波和DC—DC变换网络组成。设计的关键是DC~DC变换器,它包含了开关电源中的开关器件、储能器件、脉冲变压器、滤波器、输出整流器等所有功率器件和控制模块,而控制模块的设计又是DC~DC的核心,一...

1.总体设计方案论证
    开关电源由隔离变压器、整流滤波和DC—DC变换网络组成。设计的关键是DC~DC变换器,它包含了开关电源中的开关器件、储能器件、脉冲变压器、滤波器、输出整流器等所有功率器件和控制模块,而控制模块的设计又是DC~DC的核心,一般DC—DC变换的控制模块使用PWM调制的专用芯片,如TL494,UC3842等。芯片内部集成了振荡器(由外接电阻电容来决定频率),误差比较器,PWM调制器等,有的甚至有保护电路和驱动电路。在此情况下用集成芯片外加少量的电路即可构成开关电源,稳定性能较好,控制简单,芯片功耗几乎可以忽略不计,且成本低。过流保护可以使用电流取样电阻串接在负载上。当取样的电流超过指定的范围,立即切断负载,或者降低输出电压,然后过一段时间再自动启动,接上负载,由继电器来控制负载的连通性。同时用A/D采样,经过单片机处理后显示当前输出电流和电压。还扩展了键盘来实现电压步进和预置,设置蜂鸣器实现过流时报警。


2.单元电路模块设计
    开关稳压电源系统框图如图一所示

2.1 整流滤波电路设计
    整流滤波电路如图二,在开机瞬间,滤波电容等效为短路,可串接0.1Ω限流电阻保护整流桥。此设计最大输出功率72瓦特,电网电压低到15V输入时(整流后可达到18V),加上最不利效率为70%,则输入端功率经计算为102W,整流滤波后输出的电流约5.6A,取6A电流。用普通整流二极管不能满足要求,故用承受电流较大的硅桥。为达到可以接受的纹波系数,滤波电容的容值需要较大。考虑到其它无用功耗,取P=102W,经计算C≈30000uF,这时候纹波系数低至2.5%,但电容体积太大,DC—DC变换级对纹波系数的要求可以降低,取10000uF,纹波约8%,可以满足要求。大电容滤波还需并接瓷片电容,来抑制尖峰电压。

2.2 Boost升压型开关电源拓扑结构
    主回路拓扑结构选择非隔离型中Boost型升压斩波电路,如图三。假设C和L足够大,输入输出电压,即为常数。据推理电感两端的电压值也为常数,记电感两端的电压值是VL,经过L的电流记为IL,电流变化正增量记为△i+,电流变化的负增量记为△i一。当开关闭合时,续流二极管关断,此时电源向电感充电储存能量,忽略开关管的压降。则由电感电流不可以突变、法拉第电磁感应公式和基尔霍夫电压定律推导出:增量电流△i+和时间△t成正比,呈线性上升趋势,与电感成反比。当开关管T关断时,续流二极管D导通,忽略续流二极管导通电压,输入端电源电压与电感器L中自感电动势正向叠加后,通过续流二极管D对负载R供电,同时对电容器C充电。同理推导出:负增量电流与电感值成反比,与关断时间成正比。下降是从上个时间充电后的电流点开始线形下降的。当动态平衡后,△i+=一△i一,经过占空比计算公式推导后得:在设计中输入15V~21V,整流滤波后可得约18V~25V的直流电压,而设计要求输出为30V~36V。那么当输入是18V变换到36V时,升压比最大,则占空比最大,记为α1,从25V变换到30V时,升压最小,则占空比最小,记为α2,经过推算:α2=1/6,α1=1/2。

3.电路设计及参数选择
    此设计采用UC3842作为PWM控制芯片。它只需要很少的外部元件就可获得低成本高效益的解决方案。其内部框图如图四,UC3842采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式,共有8个引脚,各脚功能如下:①脚是误差放大器的输出端,外接阻容元件可改善误差放大器的增益和频率特性;②脚是反馈电压输入端,此脚电压与误差放大器同相端的2.5V基准电压进行比较,产生误差电压,而控制脉冲宽度;③脚为电流检测输入端,当检测电压超过1V时停止脉冲输出使电源处于间歇工作状态;④脚为定时端,内部振荡器工作频率由外接的阻容时间常数决定,f=1.8/(RT×CT);⑤脚为公共地端;⑥脚为推挽输出端,内部为图腾柱式,上升、下降时间仅为50ns驱动能力为±1A;⑦脚是直流电源供电端,具有欠、过压锁定功能,芯片功耗为15mW;⑧脚为5V基准电压输出端,有50mA的负载能力。输入端接Rl再输入到芯片电源端,由于UC3842启动电压需要16V,输入经整流滤波后至少有18V左右,可保证正常启动。串联电阻Rl取100Ω或不用R1,直接接至18V电源也可正常工作。UC3842振荡器可以工作高达500kHz,经过计算选择较折中的频率40kHz取Rt=10k,Ct=4.7nF,Rt接在振荡端和参考电压8脚处,4脚退耦电容C3取O.1uF。

 

3.3 过流保护以及电压电流显示
    用单片机和ADC0832来采样。采样电阻Rss=0.1Ω,用温度系数很小的绕线电阻,但不能直接采样Rss两端的电压,因为运放不能输入比电源电压大的信号,所以要设计恒降压电路,将Rss两端的电压同时减去一个常数,再进行差分放大,如图五。恒压源用TL431准确稳定在一个固定的电压,设置两个恒压源压降一致。由于运放采用12V单电源供电,所以将电压降到6V以下才能工作;又因为输出最大电压为36V,设计的恒压源压降为19V,那么下面两个电阻可用同样阻值的精密可调来实现抽头在中间位置,则U=36—19=8V进行l/2分压得4V。当电流为2A时Rss上压降为0.2V,则到差放上的电压差为O.1V,放大15倍后再经恒压源压降,保证变化范围在O~5V后送给0832采样,同时通过0832的另外一个通道采样得输出电压值。经过单片机计算电流电压后判断是否超过2.5A的电流,如果是,再利用继电器断开负载并用蜂鸣器报警,然后等待恢复。延时数秒后再次尝试接通负载,这就实现了过流保护和恢复后自动启动的功能。同时把采样到的电流、电压显示在数码管上。系统还设计了键盘设置电压增减的功能,该芯片采用ZLG7290键盘显示芯片可以简化设计复杂度。

4. 测试结果和实现功能

5.结束语
    开关电源是一种效率很高的电源变换电路,此系统利用软件硬件相结合,力求线路简单,又能满足系统设计要求。通过对各单元电路的设计、制作与测试,收到了很好的稳压效果,
    完成了设计要求的各项指标,具有一定的实际意义。

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