一種基于芯片UC3842的開關(guān)電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊海川 牛洪杰 楊思程

摘 要：現(xiàn)代社會生活離不開電力電子設(shè)備，要讓電力電子設(shè)備正常的運(yùn)行，離不開安全可靠的電源。開關(guān)電源具有很多優(yōu)點(diǎn)，如性能可靠、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、效率高、體積小、紋波少等，本文在對現(xiàn)有開關(guān)電源進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)上更加具有現(xiàn)代化、人性化，與使用環(huán)境更加和諧。主要了介紹開關(guān)電源的工作原理、UC3842的管腳和功能，然后根據(jù)功能要求給出原理圖，最后進(jìn)行了測試，結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的反激式開關(guān)電源滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：電動汽車；開關(guān)電源；UC3842

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.07.119

1 引言

汽車是如今人們出行常用代步工具之一，但現(xiàn)代社會提倡節(jié)能減排，傳統(tǒng)汽車尾氣排放嚴(yán)重污染環(huán)境，給環(huán)境帶來了很大的壓力，不符合現(xiàn)代低碳生活，綠色出行的理念。因此電動汽車應(yīng)運(yùn)而生，很好的解決了空氣污染這一問題，電動汽車將成為時代的主流，不久將會逐漸取代燃油汽車。目前各國的汽車生產(chǎn)商都在加大對電動汽車相關(guān)技術(shù)研發(fā)的力度，并且混合動力的汽車已經(jīng)投入了生產(chǎn)。電動汽車平穩(wěn)安全的運(yùn)行離不開穩(wěn)定的電源，因此本文結(jié)合實(shí)際需求設(shè)計(jì)了一款電動汽車用的開關(guān)電源。

地球能源有限，節(jié)約能源已經(jīng)刻不容緩，我們應(yīng)該合理有效的利用有限的能源，提高能源利用率。電能是電動汽車不可缺少的能源，現(xiàn)今電動汽車越來越多，這就要求我們在用電時節(jié)約用電，電源是節(jié)能的重要環(huán)節(jié)之一[1]。將來在學(xué)習(xí)、工作、生活中會有越來越多的人會選擇駕駛電動汽車，它需要可靠穩(wěn)定的電源來保證穩(wěn)定工作，開關(guān)電源就肩負(fù)起這一責(zé)任，但是要讓電動汽車正常的行駛就需要有穩(wěn)定的電源，所以針對電動汽車設(shè)計(jì)了開關(guān)電源。開關(guān)電源具有低功耗、高效率，輸入電壓在很大的范圍內(nèi)波動時，仍可有較穩(wěn)定的輸出的優(yōu)點(diǎn)。它被廣泛應(yīng)用于各類電氣設(shè)備中，在社會發(fā)展中擁有廣泛的應(yīng)用前景。

2 開關(guān)電源的工作原理

開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由 EMI濾波器、輸入整流濾波、開關(guān)功率管、高頻變壓器、輸出整流濾波組成[2]。其中EMI濾波器的主要作用是可以讓某一特定頻率范圍內(nèi)的信號能進(jìn)入該設(shè)備使其可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，可以對高頻的信號給予屏蔽作用，能對高頻率的干擾信號起到阻礙作用，最終讓輸出穩(wěn)定。

顧名思義，開關(guān)電源就是利用開關(guān)元件，通過調(diào)節(jié)通斷的時間，在一個周期內(nèi)規(guī)律性的接通或關(guān)閉，來達(dá)到穩(wěn)定輸出的效果。開關(guān)元件以一定的時間間隔重復(fù)地接通和斷開，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出等一系列步驟進(jìn)行工作。當(dāng)開關(guān)電源接入負(fù)載后，在功率管接通和關(guān)斷的瞬間，輸出的電壓、電流初始值近似接近時，這時開關(guān)電源就已經(jīng)開始穩(wěn)定運(yùn)行了。

3 UC3842芯片介紹

UC3842是Unitrode公司的雙列8腳芯片，是一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制芯片。電壓調(diào)整率可達(dá)0.01%，工作頻率為500kHz，啟動電流小于1mA，輸入電壓為10—30V，基準(zhǔn)電壓為4.9—5.1V，工作溫度為0—70℃，輸出電流為1A。其特點(diǎn)是器件結(jié)構(gòu)簡單，電壓調(diào)整率精確，價(jià)格實(shí)惠，啟動電流小，工作頻率高，擁有自動負(fù)反饋補(bǔ)償電路和較強(qiáng)的負(fù)載響應(yīng)特性。

UC3842各管腳的功能如下：

管腳①COMP是誤差放大器的輸出端，它外接電容電阻元件可用于改善誤差放大器的增益，相頻特性可得到很大的改善；

管腳②FEED BACK是電壓反饋信號輸入端，其與誤差放大器同相端基準(zhǔn)電壓比較，產(chǎn)生誤差電壓，控制芯片通斷，從而控制脈沖寬度，達(dá)到反饋的效果；

管腳③SENSE為電流檢測輸入端，因?yàn)槎壉容^器輸入和一級比較器的輸出連接，當(dāng)檢測電壓超過1V時縮小脈沖寬度使電源處于間歇的工作狀態(tài)；

管腳④RT/CT為定時端，振蕩器外接電容電阻的公共端，振蕩頻率計(jì)算公式為：f=1.72/（RT×CT）；

管腳⑤GND為公共接地端；

管腳⑥OUT為圖騰柱式輸出端，它的結(jié)構(gòu)對被驅(qū)動的功率管的關(guān)斷有利，能夠加速功率管關(guān)斷，上升、下降時間僅僅為50ns驅(qū)動能力為±1A ；

管腳⑦Vcc是直流電源供電端，低于+16V時芯片不工作，耗電1mA以下，芯片工作時耗電約為15mW，具有欠壓、過壓鎖定的功能；

管腳⑧VREF為5V 基準(zhǔn)電壓輸出端，有50mA 的負(fù)載能力。它的作用是供振蕩器使用、作為基準(zhǔn)信號、提供工作電源2。

UC3842 內(nèi)部結(jié)構(gòu)、管腳如圖2：

4 開關(guān)電源設(shè)計(jì)過程

需要設(shè)計(jì)的開關(guān)電源芯片為UC3842，輸入220V交流電，輸出電壓5V，輸出電流7A，頻率40kHz。通過對開關(guān)電源的發(fā)展、功能與缺陷進(jìn)行分析，并根據(jù)實(shí)際需要，對開關(guān)電源進(jìn)行總體方案的設(shè)計(jì)，并對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論述。根據(jù)開關(guān)電源的性能需求和設(shè)計(jì)方案完成對開關(guān)電源主要硬件電路的設(shè)計(jì)，包括對整流電路、高頻變壓器和濾波電路等參數(shù)的計(jì)算和設(shè)計(jì)。針對開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，首先對兩相交流電進(jìn)行整流和濾波，此時會是一個直流高壓電，然后再經(jīng)過高頻變壓器得到高頻的矩形波電壓，最后再通過整流、濾波電路得到輸出的電壓。

電路采用芯片UC3842，因?yàn)槠渚哂猩厦嫠龅暮芏鄡?yōu)點(diǎn)。開關(guān)電源的工作過程順序依次是對輸出電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)過誤差放大器、過流檢測比較器、PWM鎖存器、門電路和輸出級等，去控制開關(guān)功率管的關(guān)斷和導(dǎo)通，這時高頻變壓器就可以通、斷，最后開關(guān)電源就可以正常工作，穩(wěn)定輸出一定的電壓、電流[2]。最終畫出如圖3所示主電路原理圖，然后開始硬件的采購，利用原理圖在Sprint - Layout5.0繪制如圖4所示的PCB圖，制作印刷電路板，然后把元器件焊接到電路板上如圖5所示，再經(jīng)過一系列調(diào)試、檢查最終完成制作開關(guān)電源。

5 結(jié)論

開關(guān)電源的輸出主要由高頻變壓器、控制芯片、輸出濾波電路、EMI濾波器等共同決定的，通過參數(shù)的運(yùn)算、反復(fù)的調(diào)試和優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后通電檢測，負(fù)載的功率維持在一定的范圍內(nèi)波動，開關(guān)電源輸出為5V/7A，符合設(shè)計(jì)的要求，負(fù)載可以正常運(yùn)行，所以此開關(guān)電源適用于電動汽車的繼電器電源、散熱器風(fēng)扇電源等小功率電源，在使用過程中功耗損失較小，效率高，整體發(fā)熱不明顯。本次設(shè)計(jì)是在現(xiàn)有開關(guān)電源的基礎(chǔ)上并且結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)的輸出符合負(fù)載的需求，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

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基金項(xiàng)目：2018年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（201813006042）山東英才學(xué)院自然科學(xué)類重點(diǎn)課題（17YCZDZR08）

指導(dǎo)教師：朱霞清