基于UC3842的开关电源设计

　摘要

在现代经济和科技的飞速发展的时代，电源的运用已经变得非常常见。目前，各种科技手段正在推动着电力电子技术和电源设备研发技术的快速发展，同时也促使电源设备向着高频化集成化方向发展。电源供电设备的开发和运用已经成为电力电子这门技术的一个非常常见的应用手段。相对于老式的线性稳压器，开关电源的研发与设计设计，虽然比较复杂，有些指标可能不会像线性稳压器，且噪声大，但由于体积小，重量轻，效率高，性能稳定等优点高频开关电源并已被广泛接受和使用。

在本文中，给大家详细介绍了一个基于UC3842芯片和反激式变压器的特性设计了一个可以提供两个输出电压，并且可以随着输入电压的变化来调整PWM输出，以确保稳定的输出电压的多输出反激式开关电源。本文介绍了目前我们日常生活中较为常见的开关电源拓扑结构，并通过比较分析选择出适合本次设计的拓扑结构。本文简要介绍了PWM控制芯片UC3842的结构，根据UC3842芯片的特点及应用方式给出了详细的电路参数设计和高频变压器的设计，包括最大占空比计算，初级和次级匝数计算，线径计算。最后，通过PSIM软件对开关电源电路设计建模仿真和仿真波形，利用AD软件进行电路的设计和印刷电路板的设计。

　　关键词：UC3842、反激式、开关电源、AD、PSIM

第一章绪论

　　1.1开关电源的发展现状

电源是能量变换及功率传递的重要设备，当代几乎所有电力电子设备的正常使用和可靠的直流电源是不可分离的，因此对我们所使用开关电源的各方面指标要求也越来越严格。在日常生活中我们所使用的直流电源可以分为开关电源和线性稳压源。开关电源是通过芯片产生脉冲来控制MOSFET的截止和导通，从而达到改变电压和电流的目的，也可以称为非工频变压器电源。现在我们已经开始使用小体积的高频变压器来完成人们所需要的电压转变和电源隔离。开关电源具有轻便小巧、工作效率高、产热低、工作性能稳定可靠等优点，代表了今后电源的发展趋势和电源供应的主力市场产品。

目前一些传统的线性稳压电源拥有很多的的集成模块、具有较高的稳定性、纹波电压小、可靠性高、使用方便等优点，其技术还较为成熟。但其调整管功率消耗大、散热高、低效率，因为传统的线性稳压电源通常需要使用重量和体积都很大的电容器和高频变压器，而且调整管工作在线性放大状态。X航空航天局为搭载火箭开发了体积小、重量轻、效率高的开关电源，在20世纪50年代。开关电源被称为高效节能的电源，它是当代稳压电源的发展趋势，开关电源目前已经成为占据市场绝大部分市场额的主流产品。开关稳压器的研发和使用，完全改变了以前人们对稳压器的稳压概念的认识，开关电源其实是一个功率半导体元件（如N-MOSFET）的开关，通过芯片控制输出脉冲信号的占空比来控制MOSFET的关断与导通，最终可以调节输出电压的大小。开关电源内部的关键部件（如高频电压器、N-MOSFET）通常均工作在高频状态，其自身的能耗是非常低的，所以可以保证机器不过度发热，进而提高了整个机器的稳定性和可靠性。而其适应能力（主要是对电网的适应力）也有很大的提升，通常普通的串联稳压电源能够允许电网在220V—240V的范围内波动，但开关电源能适应电网电压变化的范围是110V—260V，并且可以得到稳定的输出电压。

我国开关电源的开发起始于20世纪60年代，直到60年代中期我国自主研发的开关电源进入了实质性应用阶段，到了70年代初我们已经可以自主研发无工频降压型开关电源，并且取得的一定的成功。在过去的二十年中，我们的很多研究所、高等院校已成功研究出一系列的高频电源，其输出功率较低不足1Kw，广泛应用于各种电子设备（如电脑、播放器等），并且取得了巨大成就。20世纪80年代初我国已经开始了高频开关电源的研发工作，至90年代初已初步取得成功，并已经开始进行实用性使用阶段，后来研究人员又开始进一步提高开关电源的工作频率。多年来，虽然中国的各类研究机构和研究人员们在开关电源的研发工作中作出了巨大努力和贡献，但是目前中国在开关电源的研发技术和制造工艺方面仍然还不能达到国际先进水平。目前，虽然在全球范围内开关电源已经有非常广阔的应用空间，但是开关电源技术还一直处于发展阶段。各国都争先恐后的研发性能更加优良、稳定性更好、适用范围更大的开关电源。就如今开关电源的发展现状和发展趋势来看，主要存在以下几个较为重要的问题：

（1）目前，在我们日常生活中所使用的开关电源依然存在较为严重的噪声干扰。当MOSFET工作在开关状态时，会造成电路产生的高频交流电压和电流；这些高频交流电压和电流通过电路中的其他元件时会产生尖峰干扰和谐振噪声，会严重影响整个设备的工作稳定性和可靠性[21]。

（2）电源电路复杂和难以维护。目前，我们研发的开关电源中所需要的电解电容、高反压大电流的功率管和电源中最重要的高频变压器磁性材料及其它部件仍处于研究、开发、试验阶段。虽然，一些开关电源技术较为领先的国家在开关电源的研发工作上取得了一些进展，但在实际的使用中所表现出来的一些缺陷（包括设计缺陷和制造工艺所造成的缺陷）并不能完全令人满意。这还透露了开关电源的一个缺点：电路结构复杂，维修困难[22]。

（3）制作的成本较高且设备工作可靠性低。因为我国的微电子应用技术、阻容器件的生产技术和磁性材料烧结技术还未达到国际先进水平行列，所以设备的成本不能进一步减少，这也影响其工作可靠性进一步增加。

1.2开关电源的分类和特点

随着现在人们生活质量的提高和科学技术的迅速发展，对供电电源的性能提出了更高的要求：更加安全可靠的性能、功能的多样化、自动化的大规模应用、微型化、模块化，这使得能够满足上述人们对电源性能及其稳定性要求的开关电源得到人们的大力运用。由于，开关电源在人们生活各个方面已被越来越广泛的应用，并且发挥着至关重要作用，这极大的促使人们去进一步研究性能更好的开关电源。而且随着这几年的发展，在这方面的研究和生产的人员也越来越多，其性能也越来越好。

目前我们所使用的开关电源的类型各式各样，主要有以下几种类型：他激式、自激式（按照激励方式来划分）；半桥式、全桥式、单端式、推挽式（按照晶体管连接方式来划分）；晶体管型、可控硅型（按照晶体管类型来划分）；开关型、谐振型（按照电流的工作方式来划分）；串联型、并联型（按照储能电感与负载的连接方式来划分）；脉宽调制型、混合调制型、频率调制型（按照调制方式来划分）。

开关电源的开关其实是一个功率半导体装置，通过控制输出脉冲信号的占空比来控制MOSFET的关断与导通来调节输出电压的大小。开关电源可以直接对电网提供的交流电压进行整流、滤波、调整，然后通过高频变压器将原边的脉动直流感应到副边，通过副边上所接的电容器进行滤波稳压，最后可以稳定的输出直流电。因为通常开关电源的工作频率较高，所以其两端接的滤波电容值和电感值均很小。

开关电源具有轻便小巧、较大稳压范围、很小纹波系数、输入和输出可以隔离等多种特性。此外，由于效率高（可以达到70—90％）、耗能少、发热量小等优点从而改善了电源整体的运行稳定性和可靠性。输入端能够允许接入电网波动较大的电压；一般而言，串联稳压电源输入端允许接入220V—240V范围内的电网供电电压波动；但是对于开关电源来说只要电网电压是110V—260V的范围内波动，开关电源就可以得到一个稳定的输出电压。

　1.3开关电源的发展趋势

中国的信息产业，国防工业，家电行业，尤其是快速发展电信行业已经成为电源技术发展和市场发展的强大推动力。在当前，开关电源的研发技术和制造工艺已经迎来一个黄金的发展时期。

（1）碳化硅功率半导体器件的使用。其优点是：禁带宽、耐高温、导热性强、通态电阻小、漏极电流很小、PN结耐高压。可以肯定的是碳化硅功率半导体器件将会成为21世纪最可能被广泛应用并能取得较大成功的新型功率半导体器件。

（2）高频化磁技术。目前，对开关电源所需要的磁性材料的生产有了更高的要求：低损耗，良好的导热性能、磁特性优越。是因为随着高频开关电源技术的高速发展，在低频开关电源电路中一些元件的参数可以被忽略。而在电路的某些性能方面高频会对其性能产生很大的影响。

（3）高频开关电源的EMC技术。目前高频开关电源的EMC技术还处于发展阶段，主要是由于电磁兼容性问题具有一定的特殊性。它可能会产生强烈的电磁干扰和谐波传导障碍。这是因为在切换过程中会产生的电压和电流突变，这会使得电源周围电磁环境受到严重污染，会使周围存在的电磁设备不能正常工作或者会损坏设备甚至可能危及附近操作人员的安全。并且随着频率的增高噪声也会随之增加。原则上，可以使用谐振变换器的技术，这样既能增加频率，并可以减少噪声和干扰，因此EMC技术的发展直接制约了今后开关电源的发展程度。

（4）软开关技术。PWM开关电源使用一种叫“硬开关”技术。由于开关电源的损耗会随着开关电源工作频率的升高而增大同时也大大的增加了电磁干扰的几率，这严重的制约了开关电源技术高频化发展。为了解决“硬开关”技术带来的不足，研发人员们开始引入软开关技术。软开关是指ZVS（零电压开关）或者ZCS（零电流开关）。如果在开关电源中采用软开关技术，不仅可以使功率开关管的开关损耗降至最低，还提高了电源效率和对电源的开关起到保护作用。20世纪90年代中，IEEE组织会议曾指出，无源元件性能、开关器件的性能和封装技术能够直接影响高功率密度的直流—直流零电压开关转换器的性能。可以预见的是，在不久的将来电源功率变换器成本将降低至一半，但是开关管可靠性将会增加一倍，而且功率密度也将提高一倍以上。目前，已经有研究所研发的一些开关变换器可以达到这个目的。

（5）在电容器技术发展方面，最新的技术进展是大容量超级电容器技术的研究和使用。并联或串联超级电容器可以形成低压高储能元件或者超高压元器件，它具有充电快、存能大、充电电流灵活、适应性强、使用寿命长、无毒等许多优势，有较强的使用价值。

（6）采用计算机软件辅助技术。如CAD软件可以用来对电路和磁性元件进行设计，设计出最新的拓扑结构使开关电源用最简单的结构完成最佳的工况。Saber软件可以用来对电路进行仿真试验，可以根据仿真数据选定最佳的元件参数，实现了最佳的系统性能设计。AD软件可以用来对电路进行制作，不仅可以降低设计和制造成本，还可以做可制造性分析，计算机软件辅助技术是21世纪开关电源研究技术的发展方向之一。

目前，跟开关电源研发有关的各种新技术、新工艺和新设备如雨后春笋般不断问世，且随着人民生活水平的提高和社会环境的需求，开关电源已越来越受关注，可以预见的是未来开关电源供电的发展已呈现出越来越多不同的趋势：

开关电源的绿色供电。绿色节能开关电源的使用是国情所要求，这有利于保护我们的生态环境和人文环境。现在，国外许多著名的IC制造商都在大力开发低功耗、集成化的绿色节能开关电源。飞利浦公司21世纪初推出“TEA1520”系列“绿色芯片”甚至将高效节能列在首位。上世纪90年代，X首先提出了ENERGY STAR计划，以降低开关电源空载损耗为目的。2005年，XCEC委员会提出了具有强制性的能耗标准，并于2006年开始实施。该标准要求厂家要利用相关的技术手段减少使用外部电源适配器或充电的电子产品的待机功耗和空载功耗。

开关电源数字智能化。开关电源数字智能化是指由数字信号处理器或单片机（作为核心处理器）、数字电源驱动器和PWM控制器构成的一个电源控制系统。该控制系统可以充分发挥核心处理器的优点，从而实现开关电源的模拟元件和数字元件的完美组合。且高度集成化的单芯片电源系统，不仅便于实现了电源一体化，还促进了分布式数字电源系统的最佳组合。智能数字电源系统以其良好的性能正在慢慢引起人们的关注。

开关电源可编程技术。可调式开关电源是通过手动调节可变电阻器来改变其输出电压的，这种调整方式精度低并且不容易控制。将可调电阻变成数字电位器即可由计算机程序来控制开关电源。

　第二章开关电源理论

　　2.1开关电源的设计要求

　　一、开关电源的特点

随着现在人们生活中电子设备的类型和用途的增多，以及人们对它们的工作稳定性的要求越来越高，促使人们对开关电源设备的性能要求也提高了。本文提到的开关电源的特点一一列出如下：

（1）宽输入的电压范围。在正常情况下，开关电源要直接接入电网电压即输入电压为AC 220V。但是由于电网的电压不稳定，会在一定的范围内随机波动，这就要求开关电源可以确保在指定的范围内的电网电压波动，开关电源的输出电压总是稳定不变的。

（2）高精度输出电压。衡量开关电源性能是否优越的重要指标之一就是其输出电压的精度大小。随着电子产品日趋小型化、集成化（如精密仪器），对开关电源输出电压精度的要求变得越来越严格，一般输出电压不超过额定输出电压范围150 mV或更小。

（3）良好的电压调节能力。电压调节能力同样是衡量开关电源性能是否优越的重要指标之一。其指的是在电源的输入电压发生改变时还能够保持一个稳定输出电压的能力。较好的电压调节能力能够保证开关电源的工作稳定性，同样也能保证其供电设备的工作稳定性。

（4）纹波小。电源输出电压中含有纹波容易使用电设备发生谐振，同时降低电源的效率。较大的纹波还会引尖峰电压或电流的产生导致电气设备毁坏。因此纹波越小越好。

（5）较高的供电效率。在当今这个提倡效率优先的社会，开关电源的效率同样也是越高越好。

　二、开关电源性能指标

在进行电源设计时，要充分收集用户要求电源工作时的各项技术指标，以便所设计的电源满足用户的要求。目前，日常生活中经常使用到的开关电源所要求的性能指标主要有：标准输入电压为：AC 220V，50Hz；输入端允许输入电压范围：90V—240V；开关电源正常工作频率：78KHz；输出端输出电压：12V，5V；开关电源允许工作温度范围：-25℃～80℃；开关电源最大输出电压准确度：3%；开关电源最大电压调整率：3%；输出电压最大输出纹波：150mV；开关电源最大纹波系数：2%；整体效率：86%等技术指标。

2.2开关电源常用的拓扑结构

功率转换电路是开关电源的核心，整流后不同的直流电压功率转换电路有大量的拓扑结构类型，常见我已一一列出如下：

　　在本次设计中，开关电源输入端接入电网（AC 220V/50Hz）时，输出端输出功率小。由于降压转换器和升压转换器无变压器、非隔离、没有更多的输出端，所以不考虑使用降压转换器和升压转换器。正激电路有点很多，但正激变换器的变压器是不能够储存能量，经常使用在大功率的情况下，并且对MOSFET的要求较为严格。反激更有优势，正好符合本文所要求的开关电源的设计路线，因此采用反激式转换器拓扑结构。

　2.3反激式开关电源的认识

　　一、工作核心原理

原理：首先假设开关晶体管、二极管、电感、电容均为理想元件，输出电压中的纹波电压很小，可以忽略不计。

当PWM控制的N-MOSFET导通时，变压器原边绕组中的电感开始储存能量，且与变压器副边绕组相连的二极管VD处于反向偏置状态，变压器副边没有电流流动，即没有能量传递给负载。当PWM控制的N-MOSFET截止时，变压器副边线圈中的电压极性反转，使得二极管VD导通，输出端接的电容器C开始被充电，且负载R也有电流I流过。在电路中变压器不仅起到了变压器的作用，也起着电感储能的作用。

N-MOSFET导通和截止时的等效电路图如下：

　　二、工作方式的选取

目前，我们在日常生活中所使用的反激式电源主要有两种基本工作模式：（1）连续工作模式，简称为CCM；（2）不连续模式，简称为DCM。CCM的工作原理：PWM脉冲控制MOSFET被接通时，则电压V被施加到原边绕组上，原边绕组中的电感开始存储能量。变压器电感中储存的能量还没来得及完全释放，下一脉冲就已经到来，从而副边绕组中的电流还没有下降到零它就开始下一个过程。DCM与CCM相比，其不同点是变压器储存的能量被释放完全在下一个脉冲到达之前，且副边绕组中的电流已经降低到零，下一过程是从零开始增加。因此在高频变压器的每一个开关周期，CCM都是从非零状态储能开始下一个过程，而DCM都是从零状态储能开始下一个过程。CCM开关电流从一定的幅值开始的，上升到某一峰值后又迅速回到零，初级脉动电流IR和峰值电流IPK比例因子KRP<1.0，如图2.3(a)所示。DCM开关电流从零增加至某一峰值后快速下降到零，KRP=1.0，如图2.3(b)所示。

(a)CCM(b)DCM

图2.3工作模式

　　事实上在CCM和DCM之间并没有严格的界限，他们之间只是存在一个过渡过程。对于给定的交流输入范围，当KRP较小时，连续性好、初级电感大、IPK和IRSM较小，因此可以使用功率较小的控制器件和尺寸较大的高频变压器进行优化设计。相反地，当KRP较大时，意味着其连续性差，初级电感小，IPK和IRSM较大，这个时候可以使用功率较大的控制器件和一个尺寸较小的高频变压器。

通过参照相关资料可知CCM模式的优点主要有：损耗小、原边电流小、输出性能稳定等；缺点是该模式下所需要的变压器体积过大、所占空间过大、不利于电源小型化。DCM模式与CCM模式刚好相反，其主要优点就是变压器体积小；具有初始副边电流大、输出性能一般、需要较大的LC滤波器、损耗大等缺点。因此本次设计选择KRP<1，即工作在CCM模式。

　第三章多端反激式开关电源硬件电路及PCB板设计

　    3.1 UC3842芯片介绍

UC3842芯片是一种电流型PWM控制芯片且性能好、频率可以自己设定。其频率由RC网络确定，最大占空比可高达100%。并且它可以对每一个周期的电流进行限制，可以提供100瓦以下的输出功率，主要用于控制反激式转换器。芯片内部有高度稳定的可以用于外部电路的参考电压源。UC3842芯片通过“图腾柱”输出高达1A的电流，可以用来驱动多种晶体管。UC3842芯片由于引脚少、性能稳定、外围电路简单、易于安装和调试、低廉的价格，因此它被广泛用于研发开关电源。

UC3842的内部结构图如图3.1所示。从图中可以看出它的内部集成了误差放大器、振荡器、5V基准电源、脉冲调制锁存器、电流检测比较器等多种器件和一些辅助电路及元件。

图3.1

　　基于本次设计的开关电源的控制方式和其组成电路的拓扑结构，结合UC3842的上述特点，决定本次使用的芯片为UC3842。

UC3842的外型图如图3.2所示。

   3.2开关电源的总体设计框图

由上面框图可已看出整个开关电源电路系统主要包括以下几个模块：输入整流滤波电路模块、变换器模块（包括功率开关管、缓冲吸收回路、高频变压器和RCD钳位电路）、输出滤波电路模块和控制电路模块。

系统输入电网电压（AC 220V/50Hz），通过桥式整流滤波电路进行整流滤波后变为直流电压，然后通过UC3842驱动功率管的导通与关断来控制高频变压器进行电压转换，最后通过输出端口的整流滤波即可以输出直流电压。由于电网电压是在一定范围内波动的，为了确保在电压波动时输出端还能够稳定的输出电压，所以在输出端接入电压反馈电路通过UC3842进行反馈电压调节是必不可少的。从整个开关电源电路系统中可以看出控制芯片UC3842会将各个电路反馈的信号进行采样、比较等环节，通过调节芯片的输出进而控制开关管的开关，最终达到能输出稳定的电压的目的。

　3.3芯片启动电路和其外围电路的设计与分析

　　一、启动电路设计

图3.4启动电路

　　UC3842芯片需要通过引脚7提供+16V电压才能启动，该电压由R2和C8组成的电路提供。220V交流电通过桥式整流器整流和电容器滤波后得到直流高电压，然后由R2降压后接UI，电压开始逐渐升至+16V以上从而完成启动。开关电源进入正常工作过程中后，反馈电压经过D4和C9整流滤波后继续为UC3842芯片提供工作电压。

UC3842芯片内部自带的欠压锁定电路正常工作的电压为10V—16V。如图3.5所示。当UC3842芯片的供电端口的端电压到达16V时，UC3842芯片就开始工作。开始启动运行前，UC3842的正常电流消耗范围是0mA—1mA；开始工作后，其消耗电流约为15mA。在设计时R2可以选取消耗功率非常小的电阻，因为UC3842的启动电流在1mA以内。在启动电路时，为了使UC3842芯片的7端口有稳定、适当的电压供给，保证电源能够正常工作，所以电容器C8必须足够大。因为电源供电时会出现“打嗝”现象，所以电容器C8的放电时间应该较长，一般情况下通常要大于UC3842芯片PWM端口（6端口）输出脉冲高电平的持续时间。从上面可以看出，电容器C8的选择显得尤为重要。

图3.5

　　二、电压反馈的电路设计

图3.6

　　该电路主要用于反馈电压给UC3842，使其可以控制MOSFET的关断与导通来调节输出电压稳定。电压反馈与误差放大器电路如图3.6所示，R6上端接反馈绕组。在放大器反相输入端（芯片UC3842引脚2）和输出端（芯片UC3842引脚1）之间接有补偿网络，它可以控制闭环频率响应。因为该网络回路的传输特性产生一个极点，且电源电路中滤波电容的等效串联电阻为零、R6和R9固定低频增益，所以R7和C6要选择适当的值。为了提高放大器的动态响应、提高开关电源的稳定性，所以需要在电路中加上反馈网络。通常在开关电源电路的设计中，我们常取R6=20K，R9=4.5k或者保持R6/R9约等于4即可。

　三、振荡器和时钟电路设计

图3.7振荡器和时钟电路

　　在开关电源的所有电路中，该电路用来确定UC3842的工作频率。从图3.7中可以看出，时钟振荡电路由R12、C12、C13和芯片内部的振荡器共同构成。根据UC3842的工作特性，选定定时电阻R12=10KΩ，定时电容C12+C13=0.0022μF。确定开关频率为≈78KHz，周期为T≈13μs。

　四、电流取样与限流电路

图3.8电流取样和限流电路

　　该电路主要用于限制电流并且收集通过功率开关管的电流的作用。N-MOSFET左端接UC3842的6端口（开关管驱动电路）。在正常运行情况下，芯片内部误差放大器的输出电压Vc控制电流取样电阻R13两端的电压。流经R13峰值电流为：

由于电源变压器线间电容和整流器恢复会使电流波形产生大的前沿峰值电流，它应该接入一个简单的RC滤波电路，来消除尖峰电流和防止误触发UC3842芯片。RC的时间常数应为电流尖峰的持续时间或者接近该时间，一般为几百纳秒。取常用值R14=1KΩ、C14=500pF，则时间常数ζ=R14C14=500（NS）。可为了减少功率损耗，R13的取值一般比较小，其取值范围是0.1—2Ω，此处取R13=0.5Ω。

UC3842芯片内部的电流检测比较放大器的反相输入端电压通常为1V，将该电压称为门限电压。当该比较器的同相输入端（即UC3842的3脚）ISENSE的电压大于1V即达到门限电压时，开关电源将产生限流作用。

　五、功率管驱动电路

图3.9功率管驱动电路

　　该电路的主要功能是通过UC3842芯片内部的PWM来驱动功率开关接通和关断，最终调节电压稳定输出。驱动电路如图3.9所示，开关电源通过UC3842芯片内部的PWM（即引脚6）输出脉冲电流直接驱动N-MOSFET的导通与截止。为了限制峰值驱动电流，一般加入一个阻值在15KΩ〜20KΩ范围内电阻，这里取R10=18KΩ。为了加速功率管的关断过程，UC3842的6端口可以提供一个低阻抗反向提取电流电路。R8的取值在10KΩ—20KΩ范围内，在此取15KΩ。

　六、整流电路

图3.10整流电路

　　在制作开关电源过程中，我们必须把输入的工频交流转变为直流，在本次设计中我们可以采用单相桥式整流电路。如图3.10所示，4个二极管按照一定连接方式连接共同组成单相电桥D2。在电压的正半周期，1号和4号二极管导通，2号和3号二极管截止，如果二极管的管压降和变压器电阻忽略不计，则Uzl=Uin。同样在电压负半个周期，2号和3号二极管导通，1号和4号二极管截止，如果二极管的管压降和变压器电阻忽略不计，则Uzl=Uin。由上可知，在正、负半周期均有电流通过负载电压且方向是相同的。因此输出的直流分量得到很大的提高，且由于在整流输出端接了滤波电容是的整流输出的电压纹波极小。

　　七、缓冲电路设计

图3.11缓冲电路

　　在开关电源中，开关管在瞬间关断时会产生大的电压尖峰脉冲，那是由于变压器存在漏电感和引线电感。之所以在功率装置两端和反激式变压器上必须有尖峰电压缓冲电路来抑制或从构成噪声源的部分的两端消除噪声；是因为快恢复整流二极管在反向恢复时会产生大量的反向恢复尖峰电压，这些过电压尖峰会危及功率器件的操作可靠性，还会造成强烈的电磁干扰噪。

缓冲电路如图3.11，在N-MOSFET器件的源极和漏极之间可以直接安装缓冲元件（包括：电阻、电容、二极管）。由于电路中电容器C11的端电压不能发生突变，所以当N-MOSFET关断时，所形成的尖峰电压脉冲能量转移到电容器C11中储存，然后电容器C11储存的能量可以通过电阻R11消耗，也可以返回电源，从而起到了缓冲吸收电压尖峰的作用。

　八、无源RCD钳位吸收电路设计

图3.12无源RCD钳位吸收电路

　　在开关电源的设计中之所以需要设计一个RCD钳位吸收电路；是因为高频变压器初级绕组的漏电感产生的反电动势不能通过次级整流滤波电路对其的限制。而且从参考文献中可知，这个反电动势的峰值极大，因此需要设计一个限制电路。并且在实际生活中，变压器的初级绕组的漏电感是不能忽略的。如图3.12所示，钳位电路的参数C1、R3的取值对反激变换器的性能有重要影响，如果选值不合适，将会影响开关电源的工作性能。把钳位电路如上图一样接入电路中即可。

　3.4 PCB线路板的设计

印制电路板（Printed Circuit Board，PCB），是电子设备的主要部件。目前人们所使用的几乎所有的电子设备都离不开PCB电路板。随着人们科学技术的不断进步和纳米技术的推广使用，PCB板向着小型化集成化方向发展。可以预测的是，今后在我们所设计的PCB板中单位面积的元件个数一定会成倍增加。此处我们使用Altium Designer 10作为PCB的制作软件。

AD10是Altium公司基于protel开发出来的新型PCB设计软件。AD10的全新设计理念和使用理念为开发人员提供了前所未有的便利，它极大的提高了开发人员的工作效率和工作质量，起到了事半功倍的效果；极大的减少了开发人员这这方面的资金、技术和时间的投入，强有力的推动了PCB技术的发展。AD10集多种功能于一体，让开发人员的工作变得更为方便快捷。

　一、原理图和原理图库的绘制

打开软件后，其操作步骤如下：

（1）文件→新建→工程→PCB工程，到这里我们就已经新建好一个PCB工程了。

（2）文件→新建→原理图，到这里我们就新建好一个原理图文件了。

（3）文件→新建→PCB，到这里我们就建好一个PCB文件。

然后我们需要加载两个很重要的元件库，分别是Miscellaneous Devices.IntLib及Miscellaneous Connectors.IntLib这两个软件自带元件库。这两个元件库能够提供大部分常用的元件，在元件库中找到我们所需要的元件后将它拖入原理图中连线即可。

由于我们画原理图所需的高频变压器在元件库中没有，所以我们只能自己创建原理图库，操作步骤是：文件→新建→库→原理图库。然后利用画图工具画出该图即可，如图3.13所示。

图3.13

　　同样，UC3842元件同样需要我们自己画出，步骤同上。如图3.14所示。

图3.14

　　完成上述原理图库制作后，就可以将这些元件通过库导入到原理图中，如图3.15所示。

图3.15

　　导入元件后用导线将元件连接起来，检查导线连接有没有电气错误。绘制好全部电路图如图3.16所示。

图3.16

　　二、封装的选择和绘制

元器件的封装需要根据元器件的引脚数量来选择。在此处，UC3842元件我们选择DIP-8作为它的封装。我们在原理图中双击UC3842芯片即可以弹出下图的对话框。我们点击ADD选择Footprint即可添加封装。

　　有些元件例如高频变压器、输入输出端，由于软件无法提供其封装，我们只能自己画出该高频变压器的封装。操作步骤：文件→新建→库→PCB元件库。然后利用绘图工具画出即可。如图3.17和图3.18所示。值得注意的是我们要选择合适的焊孔和焊盘的大小，注意是否会引起短路。

图3.17

　　图3.18

　　除此之外我们还可以给PCB元件库里的元件添加3D封装。在PCB元件库中双击该元件，弹出该对话框，如图3.19所示。点击“插入步骤模型”选择3D模型即可。（注意：该3D模型需要自己去网上下载或者使用3Dmax制作）

图3.19

　　三、生成网络表

绘制好原理图，添加好封装后就可以生成网络表了。具体操作步骤：设计→工程的网络表→protel。

四、PCB板的绘制

生成网络表后，可以开始PCB板的绘制工作了。新建一个PCB文件后，再设计菜单下选择Update PCB document，即可将网络表中的信息导入PCB板中。

然后开始对PCB板进行布局，将相关的模块放在一起。此次设计的开关电源可以划分为3个模块，分别是：整流供电模块、UC3842外围电路模块和输出模块。由于此次设计的开关电源内部电压大小不一，所以也要对布线的粗细进行调整。我设置高压模块布线宽度为50mil，中低压模块布线宽度为30mil。布局布线完成后即可得到一块完整的PCB板，如图3.19所示。

图3.19完整的PCB板

同时还可以得到该PCB板的3D模型，如图3.20所示。

图3.20 3D模型

　　第四章基于PSIM的反激式开关电源的仿真

　　4.1开关电源高频变压器的设计

高频变压器是制作开关电源的核心部件，因为其具有能量传输、电压变换及电气隔离的作用。之所以高频变压器的设计是生产开关电源的关键技术，是因为高频变压器性能的好坏，直接影响到电源相关的技术规范和电磁兼容性，对电源效率的影响也较大。具有很低的直流损耗、很小的漏电感、较低的交流损耗、小绕组分布电容和绕组的耦合电容等优点的变压器即为性能良好的变压器。

　　一、高频变压器铁芯材料的选择

铁芯材料的特性对高频变压器的可靠性和开关电源的工作稳定性及可靠性产生重要影响。因此，在制作开关电源是所选用的高频变压器的铁芯材料应该有如下特性：

（1）磁感密度Bɷ较高

变压器工作时为了使原边绕组的匝数越少，只能选用磁感密度较大的铁芯材料。即可以使用更少的绕组匝数来承受更大的电压。

（2）铁损耗Pc较低

在选择高频变压器时，其铁芯材料应该选择密度大、电阻率高、带薄、磁滞回归线窄的铁芯材料。主要因为变压器铁损耗的大小与磁滞回归线包围的面积、铁芯的材料密度、铁芯的电阻率、铁芯带厚有关。

（3）磁导率高

磁导率能够体现一种物质在磁场中所表现出来的性质。一般我们在选择变压器铁芯材料时往往选择磁导率较高的，虽然它与变压器的工作效率没有直接关系。

（4）合理的铁芯结构

铁芯结构要利于散热、绕制简单、装配容易、漏磁和漏感较低，因为铁芯结构的合理与否直接影响开关电源的运行性能。

（5）合适的铁芯尺寸

要根据变压器传输功率的大小选择合适的铁芯尺寸。

（6）其他性能要求

适宜的工作温度、良好的机械性能、噪声小、温度稳定性高、性价比高、工作频率范围大。

综上所述，根据所制作电源的规格、输出功率和开关频率，选择铁芯型号是PQ26/25的高频变压器。铁芯截面积为S=1.13cm2，磁路有效长度L=6.4cm，饱和磁通密度Bs=0.4T。

　　二、高频变压器绕组计算

　4.2 PSIM建模仿真与结果分析

　　一、PSIM建模

在电路设计的各个环节中，仿真是重要的一个环节之一，仿真可以验证你本次电路设计是否正确合理。利用仿真软件模拟的电路运行情况，根据运行过程中所出现的数据、波形可以了解各个子电路是否运行良好，进而对整个电路进行优化设计。基于各种仿真软件的仿真，不需要提供各种硬件设施，不仅经济实惠，而且实验数据的误差大大降低，且搭建电路的时间大大缩短。

PSIM是应用于电力电子技术和电机控制技术的仿真应用软件。PSIM全称Power Simulation，是由SIMCAD和SIMVIEM两个软件来组成的，它具有仿真速度快、用户界面友好、波形测量等功能，为电力电子电路的分析、电机控制系统和驱动的设计提供了良好的仿真运行环境。

在本次毕设中，为了验证开关电源的各个性能，所以采用PSIM对开关电源进行仿真，具体操作步骤如下：

（1）打开PSIM软件→file→New，至此我们已经新建了一个psimsch文件，即PSIM仿真文件；

（2）点击Subcircuit→选择Load Subcircuit→在软件自带芯片库中找到UC3842将其加载如仿真模型中即可；

（3）点击Elements→选择元件→将其导入原理图→连线，至此我们就可以完成本次仿真模型的搭建工作；

（4）双击每一个元件，对元件参数进行设定；

（5）点击Simulate→simulate control，即可对仿真时间长度及步长进行设置；

（6）点击即可运行该仿真模型，然后可得出相应波形。

按照上述操作步骤可得下图。下图是本次开关电源设计中基于PSIM9.0仿真软件的模型搭建，如图4.1所示。

图4.1仿真电路搭建

　　二、仿真结果分析

如图4.2所示，为输入电压波形，输入电压为AC 220V/50HZ。

图4.2输入电压波形

　　如图4.3所示，为整流后的输出波形。从图中可以看出该整流波形纹波较小，主要因为在整流桥后接了一个电容器进行纹波吸收。

图4.3整流输出波形

　　如图4.4所示，电流检测端电压始终保持在1V，证明电路处于稳定工作状态。

图4.4电流检测端电压

　　如图4.5所示，反馈电压始终保持在2.5V，说明反馈线圈供电稳定，UC3842芯片能够正常工作。

图4.5反馈电压

　　如图4.6所示，为UC3842芯片6端输出的控制N-MOSFET关断的脉冲信号。

图4.6脉冲信号

　　如图4.7所示，为供电电阻R两端的电压，当UC3842芯片正常启动后，该电阻就不再向芯片提供供电电压。

图4.7

　　如图4.8和图4.9所示，为变压器线圈Np1和Np2的电压，当变压器开始工作时，副边才产生感应电压。

如图4.10所示，为开关电源输出的+5V和+12V电压波形。从波形中可以看出电压在0.7S的时候趋于稳定，且在仅微小的范围内进行波动，符合设计要求。

图4.10输出电压

　　当改变输入电压改为240V时，可得仿真结果如下：

如图4.11所示，为输入电压改为240V时的输入电压，从图中可知输入电压为240V/50Hz。

图4.11输入电压

　　如图4.12所示，为UC3842芯片电流检测端电压，从图中可以看出该检测端电压在0V—1V之间，可以看出整体电路处于稳定工作状态。

图4.12电流检测端电压

　　如图4.13所示，为整流桥整流后的电压值，从图中可以看出其纹波电压很小，主要由于在整流桥后加了电容器进行滤波。

图4.13整流电压

　　如图4.14所示，为供电电阻R的消耗电压，由图可以看出当UC3842进入正常工作状态后，该电阻就不再向芯片提供供电电压。

图4.14

　　如图4.15所示，为UC3842的供电电压，从图中可以看出最后电压稳定在14V供电。

图4.15供电电压

　　如图4.16所示，为该开关电源的输出电压，可以看出当输入电压改变为240V后输出电压值仍能保持在稳定值。

图4.16输出电压

　　当输入电压改为200V时，其仿真结果如下：

如图4.17所示，为输入电压波形，从图中可以看出输入电压为200V/50Hz。

图4.17输入电压

　　如图4.18所示，为整流桥整流后的电压波形。

图4.18整流波形

　　如图4.19所示，为为UC3842芯片电流检测端电压，从图中可以看出该检测端电压在0V—1V之间，可以看出整体电路处于稳定工作状态。

图4.19电流检测端电压

　　如图4.20所示，为供电电阻R的消耗电压，由图可以看出当UC3842进入正常工作状态后，该电阻就不再向芯片提供供电电压。

图4.20

　　如图4.21所示，为UC3842的供电电压，从图中可以看出最后电压稳定在14V供电。

图4.21芯片供电电压

　　如图4.22所示，为该开关电源的输出电压，可以看出当输入电压改变为200V后输出电压值仍能保持在稳定值。

图4.22输出端电压

　　综上所述，通过本次仿真实验，充分验证了开关电源的工作稳定性符合要求。当输入电压波动，该电源依然能够保证一个稳定的输出电压。

第五章总结与展望

　　5.1论文总结

在目前，无论任何一种类型的电子产品的使用都离不开性能稳定可靠的电源。开关电源被大规模应用主要是因为其相对于传统线性稳压电源具有小巧轻便、高效率、产热低、性能稳定等优点。

本文介绍了基于UC3842芯片设计的开关电源的设计，从其日常的性能指标要求、常用的拓扑结构、反激式开关电源的工作原理和工作方式、整体电路的分模块分、PCB板的设计与制作、高频电压器铁芯的选择和绕组的计算、PSIM的建模仿真及分析等多个方面对本次设计进行说明。本次设计的主要内容和其成果如下：

（1）介绍了开关电源的发展现状、开关电源分类和特点、开关电源技术的发展趋势三个方面。

（2）简单的介绍了开关电源的基础知识。主要是以下几个方面的内容包：开关电源的设计要求；开关电源常用拓扑结构的分析比较和本次设计所选择的拓扑结构（即：反激式变换器拓扑结构）；反激式开关电源的工作核心原理和工作方式（连续工作模式，CCM；不连续工作模式，DCM），并且选取出了符合该次设计标准的工作方式（即：连续工作模式，CCM）。

（3）本次设计选用UC3842芯片来控制N-MOSFET的导通与截止，简单介绍了UC3842的内部结构和其引脚功能；绘制了开关电源的总体设计框图；详细介绍了UC3842芯片的启动电路和外围电路设计及参数选定，主要包括：UC3842芯片启动电路的设计、开关电源内部的电压反馈电路的设计、系统电流取样和限流电路设计、工作频率电路的设计（即振荡器和时钟电路）、无源RCD钳位吸收电路设计、功率管驱动电路设计、输入整流电路设计、开关管缓冲吸收电路设计；最后给出了开关电源的整体原理图。

（4）利用AD10软件对开关电源进行PCB板设计。首先绘制出元件库里没有的元件的原理图库和PCB库，并对原理图库和PCB库进行封装；画出原理图后自动生成网络表；最后将网络表导入到PCB板中，并对PCB板进行布局和布线。

（5）此次设计中，高频变压器的设计至关重要。本文介绍了变压器铁芯材料的基本要求，并选取出合适型号的铁芯材料进行设计（即：铁芯型号是PQ26/25的高频变压器）；然后计算出变压器原副边绕组的匝数。

（6）利用PSIM仿真软件对开关电源电路进行仿真，由仿真波形可以看出输入电压为AC 220V/50HZ时，输出为DC+12V/+5V，且波动在允许的范围内。当电压发生改变后输出端仍能输出稳定的电压，即该开关电源符合制作要求。

　5.2论文展望

本次毕设中，我经历了从UC3842芯片外围电路的设计到高频变压器的设计，对开关电源有了一个总体的且更为深刻的了解和认识。但是由于毕设的时间和实验设备的不足及本人检验和认识的不到位。所以本次毕设工作还有待进一步深入，开关电源的实际性能还有待进步不得验证提高。论文下一步的重点为：

（1）可以对高频变压器的各种损耗进行详细分析，在此基础上进一步完善变压器的设计参数及型号选择，进一步提高开关电源的工作效率。

（2）将普通的开关电源想智能化数字化方向发展，寻求更高的市场占有率。

（3）提高开关电源的适应能力及开关电源使用的灵活性，使得开关电源的使用电压范围和频率范围大大提升，进而增加其使用实用范围。

（4）本文中没有估算其输入和输出功率，没有计算最大和最小输入电压，没有计算最大占空比及没有估算其纹波电流，后续可对其进行进一步的研究。

（5）本次设计未在输出端加入光电隔离部分，后续可对其进行进一步研究。

（6）本次设计未在输入端加入EMI滤波器，后续可对其进行研究来改善输入电流的谐波。

（7）本次设计未能做出实物，在今后的研究中可做出实物对其各个参数及性能进行验证。

基于UC3842的开关电源设计

价格 ¥9.90 发布时间 2023年10月24日

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