基于UC3842 的直流斬波變換器研究與設(shè)計＊

孫 強(qiáng)，徐嘉成，郭曉鈺，李丹丹，吳亞輝，杜艷紅，呂海英

（1.天津農(nóng)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院，天津300384；2.國網(wǎng)天津市電力公司寶坻供電分公司，天津301800）

直流斬波系統(tǒng)有體積小、質(zhì)量輕、電路簡單以及效率高等方面的優(yōu)點，因此在便攜式的電子產(chǎn)品、航空航天、電力電子器件以及工業(yè)控制等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1]。早期的電源一般都是工頻整流線性電源，其體積大、功率小、能量密度低，且效率僅有30%～40%。但隨著現(xiàn)代電力電子器件的發(fā)展，現(xiàn)有的直流斬波系統(tǒng)（DC-DC 開關(guān)電源）以MOSFET為開關(guān)器件，其工作頻率為300～500 kHz。高頻化使開關(guān)電源的效率提高，體積減小，能量密度增大，已經(jīng)成為電源發(fā)展的趨勢，同時高頻化也可使經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大化[2-3]。

1 直流斬波系統(tǒng)原理

直流斬波系統(tǒng)是目前電源中最重要的一種，它實現(xiàn)了輸入端一種等級的直流到輸出端另一種等級的直流的轉(zhuǎn)化。本文設(shè)計的直流斬波系統(tǒng)工作流程如圖1 所示，其主要模塊由輸入模塊、輸出模塊、濾波模塊、控制模塊、穩(wěn)壓濾波模塊、采樣反饋模塊組成。本設(shè)計中采用PWM 控制方式，實現(xiàn)了降壓斬波功能。UC3842 是一款性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制芯片，在電路正常工作后，取樣電路反饋的低壓直流信號會經(jīng)過芯片的2 引腳進(jìn)入誤差比較放大器中，與其內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，比較后產(chǎn)生的誤差信號反饋給控制模塊，實現(xiàn)閉環(huán)控制，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

圖1 直流斬波系統(tǒng)工作流程圖

2 直流斬波系統(tǒng)設(shè)計

控制模塊中產(chǎn)生頻率固定的驅(qū)動信號，實現(xiàn)調(diào)脈沖寬度調(diào)制的工作模式，控制MOS 管的通斷，從而調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，使輸出電壓趨于穩(wěn)定。芯片的鋸齒波發(fā)生器提供一個恒定的時鐘頻率信號，通過誤差放大器的電壓比較器形成電壓閉，通過電流比較器形成電流閉環(huán)。在比較器的輸入端接入輸出電流的信號和誤差放大器的輸出信號進(jìn)行比較，來調(diào)節(jié)MOS 管驅(qū)動信號的占空比大小，從而使輸出的電流大小隨著誤差電壓的變化而變化。當(dāng)電源電壓或者是負(fù)載變化導(dǎo)致輸出電壓Uo升高時，脈寬調(diào)制器將使占空比減小，在一個周期內(nèi)減少MOS 管的導(dǎo)通時間，從而將輸出電壓的平均值降低，以趨近理想輸出電壓的大小，達(dá)到穩(wěn)壓的目的；反之當(dāng)輸出電壓減小時，則使占空比增大，延長周期內(nèi)MOS管的導(dǎo)通時間，使輸出電壓增大。斬波系統(tǒng)原理如圖2 所示。

圖2 直流斬波系統(tǒng)原理圖

當(dāng)電源輸入75 V 的輸入電壓時，經(jīng)過輸入濾波模塊，去掉諧波后進(jìn)入直流斬波的主電路，當(dāng)MOS 管導(dǎo)通時，電源對負(fù)載供電的電流上升，當(dāng)MOS 管關(guān)斷時，通過二極管進(jìn)行續(xù)流，此時負(fù)載的電壓接近于0 V，電流也快速下降，所以在電路中加入電感量L較大的電感。同時為了保護(hù)芯片以及功率開關(guān)管，在系統(tǒng)中接入回路將采樣的電壓、電流反饋到控制模塊中，形成一個穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)。

3 斬波占空比計算

直流斬波系統(tǒng)中輸入電壓和輸出電壓的大小關(guān)系主要由控制芯片的占空比和頻率來決定，當(dāng)4 引腳外接的電容Ct經(jīng)過8 引腳提供的Vref給Rt充電至2.8 V，在經(jīng)過UC3842內(nèi)部的一個恒流源Id給Ct放電至1.2 V。在充電時：

將τ=Rt×Ct代入式（1）即可得到：

放電時，由于電容在通過內(nèi)部恒流源放電的同時也在通過Rt充電，所以：

經(jīng)過下列推算：

可以得到頻率公式：

占空比公式為：

由式（5）可以得知，最大占空比只與IDis和Rt的乘積有關(guān)，在IDis恒定的情況下，Rt越大時，最大占空比就越大。充電時間和放電時間的和即為振蕩周期，從而可以計算出振蕩頻率，當(dāng)UC3842 的3 引腳和4 引腳之間加入了RC 補(bǔ)償，那么實際的振蕩頻率會低于計算的振蕩頻率。輸入、輸出電壓波形如圖3 所示。

圖3 輸入、輸出電壓波形

通過圖3 可以看出，在系統(tǒng)輸入+75 V 的直流電壓時，可以輸出+36 V 的直流電壓，且上升時間較快，大約為3 ms。輸出電壓波形較為穩(wěn)定，上升時間快、穩(wěn)態(tài)誤差小，并且超調(diào)量極小，所設(shè)計的直流斬波系統(tǒng)基本符合預(yù)定目標(biāo)。

4 結(jié)論

通過對仿真結(jié)果的分析，本文所設(shè)計的直流斬波系統(tǒng)在可靠、穩(wěn)定地完成所設(shè)定目標(biāo)電壓轉(zhuǎn)換的前提下，具備一定的穩(wěn)定性和抗干擾性，且響應(yīng)較快。該直流斬波系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、輸出電壓穩(wěn)定、紋波系數(shù)小、電能質(zhì)量好以及轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，符合開關(guān)電源發(fā)展趨勢，具有良好的應(yīng)用前景。