用UC3842进行开关电源的设计(2)

1CEMarking(CE标示)是产品进入欧盟境内销售的通行证。欧盟为了保障其会员国内人民生命与财产安全，陆续订出了许多安全指令，规定出许多需要粘贴CE标志的产品，如机械、低电压电气产品、电磁兼容性产品…等。有些产品更强制规定须由核可之验证机构执行验证，取得证明后一律贴上CE标志“CE”标志是一种安全认证标志，被视为制造商打开并进入欧洲市场的护照。凡是贴有“CE”标志的产品就可在欧盟各成员国内销售，无须符合每个成员国的要求，从而实现了商品在欧盟成员国范围内的自由流通。在欧盟市场“CE”标志属强制性认证标志，不论是欧盟内部企业生产的产品，还是其他国家生产的产品，要想在欧盟市场上自由流通，就必须加贴“CE”标志，以表明产品符合欧盟《技术协调与标准化新方法》指令的基本要求。这是欧盟法律对产品提出的一种强制性要求。CE两字，是从法语“CommunateEuroppene”缩写而成，是欧洲共同体的意思。欧洲共同体后来演变成了欧洲联盟（简称欧盟）。近年来，在欧洲经济区（欧洲联盟、欧洲自由贸易协会成员国，瑞士除外）市场上销售的商品中，CE标志的使用越来越多，CE标志加贴的商品表示其符合安全、卫生、环保和消费者保护等一系列欧洲指令所要表达的要求。在过去，欧共体国家对进口和销售的产品要求各异，根据一国标准制造的商品到别国极可能不能上市，作为消除贸易壁垒之努力的一部分，CE应运而生。因此，CE代表欧洲统一（CONFORMITEEUROPEENNE）。事实上，CE还是欧共体许多国家语种中的欧共体这一词组的缩写，原来用英语词组EUROPEANCOMMUNITY缩写为EC，后因欧共体在法文是COMMUNATEEUROPEIA，意大利文为COMUNITAEUROPEA，葡萄牙文为COMUNIDADEEUROPEIA，西班牙文为COMUNIDADEEUROPE等，故改EC为CE。当然，也不妨把CE视为CONFORMITYWITHEUROPEAN（DEMAND）（符合欧洲（要求））。CE标志的意义在于：用CE缩略词为符号表示加贴CE标志的产品符合有关欧洲指令规定的主要要求（EssentialRequirements），并用以证实该产品已通过了相应的合格评定程序和/或制造商的合格声明，真正成为产品被允许进入欧共体市场销售的通行证。有关指令要求加贴CE标志的工业产品，没有CE标志的，不得上市销售，已加贴CE标志进入市场的产品，发现不符合安全要求的，要责令从市场收回，持续违反指令有关CE标志规定的，将被限制或禁止进入欧盟市场或被迫退出市场。用UC3842进行开关电源的设计一、设计目的用UC3842新型集成开关电源芯片进行开关电源设计，市电输入采用无工频变压器设计，开关管的触发调整信号采用高频40KHZ的PWM（脉宽调制信号），达到额定输出为5V,7A的高精度稳压输出，电源轻便，简洁明快。1、UC3842的性能特点：（1）它属于电流型单端PWM调制器，具有管脚数量少、外围电路简单、安装调试简便、性能优良、价格低廉等优点。能通过高频变压器与电网隔离，适于构成无工频变压器的20~50W小功率开关电源。2（2）最高开关频率为500kHZ,频率稳定度达0.2%。电源效率高，输出电流大，能直接驱动双极型功率晶体管或VMOS管、DMOS管、TMOS管。（3）内部有高稳定度的基准电压源，典型值为5.0V，允许有±0.1V的偏差。温度系数为0.2mV/℃。（4）稳压性能好。其电压调整率可达0.01%/V,能同第二代线性集成稳压器（例如LM317）相媲美。启动电流小于1mA,正常工作电流为15mA。（5）除具有输入端过压保护与输出端过流保护之外，还设有欠压锁定电路，使工作稳定、可靠。（6）最高输入电压IMV=30V，输出最大峰值电流PMI=1A,平均电流为0.2A,本身最大功耗DMP=1W,最大输出功率OMP=50W。2、UC3842的引脚排列及内部框图UC3842采用DIP-8封装如上图1，管脚IV、OV、GND端分别接输入电压、输出电压、地。REFV为内部5.0V基准电压引出端。TR/TC是外接定时电阻、定时电容的公共端。UC3842内部框图如图2,其主要3包括5.0V基准电源，振荡器、误差放大器，过流检测电压比较器、PWM锁存器、输入欠压锁定电路、门电路、输出级、34V稳压管。二、总体电路框图及单元功能分析1、输入单元(1)电源噪声滤波器电源噪声滤波器电路如图4该滤波器有两个输入端，两个输出端和一个接地端，制作使用时外壳使用金属屏蔽并接地，电路包括共模电感L、滤波电容器C1~C4。L对串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过偶合后总电感量迅速增大，因此共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过。C3、C4跨接在输出端，4经电容分压后接地，能有效的抑制共模干扰。(2)整流滤波器从电源噪省滤波器经过噪声滤波输出后的电压从整流滤波器（图5）输入，经过D1~D4进行桥式全波整流送往R1和C5组成的r型滤波电路进行滤波，得到+300V的非稳压的直流输出。采用桥式全波整流可省去笨重的输入变压器，使设计重量可大大减轻，输出也得到近似平滑的良好直流电压，转换效率相对较高。2、调整控制单元(1)振荡电路由R2、C7与UC3842内部振荡器，+5.0V基准电源一起完成振荡，产生高频信号。+5.0V基准电压经过定时电阻R2给C7充电，然后C7再经过芯片内部电路进行放电，从第4脚得到锯齿波电压。5由于输出采用脉宽调制控制方式，考虑到IV、REFV上的噪声电压也会影响输出脉冲宽度，振荡电路加了消噪电容C6。（2）启动、反馈补偿电路刚启动开关电源时，UC3842所需要的+16V工作电压暂由R6、C9电路提供。+300V直流高压经过R6降压后加至UC3842的输入端IV，利用C9的充电过程使IV逐渐升至+16V以上，也就实现了软启动。一旦开关管转入正常工作状态，自馈线圈N2上所建立的高频电压经D5、C9、C10滤波后，就作为芯片的工作电压。至此启动过程结束。启动电路中有一34V稳压管，一但输入端出现高压，此稳压管就被击穿，将IV钳位于34V，保证芯片不至损坏。输入电压锁定的目的是当输入欠压时，开关功率管自动关断，不至于欠压大电流运行。由于噪声干扰的影响，开关功率管有可能超负荷工作而损坏，为此给芯片加了PWM锁存器。其作用是保证在每个时钟周期内只输出一个脉宽调制信号，能消除在过流检测比较器翻转时间产生的噪声干扰。R4、C8用以调整误差放6大器的增益和频率响应。自馈线圈N2的输出电压IV经过R5、R3分压后作为比较电压、与内部5.0V基准电压经过误差放大器进行比较调整，使oV为5.0V的稳定电压输出。R8上的电流反馈信号，通过R7衰减从3脚过流检测入，送入电流检测比较器进行比较，使输出得到电流钳位目的，输出电流被限制在7A以下。2、输出单元由于采用的是高频调制信号的方法，故输出级电源变压器很小，调整管采用频率响应快的N沟道场效应管，输出级受UC3842oVPWM波调整，通过VT进行功率转换，+300V直流电压从T原边N1流经VT输出变压器原边产生大电流的PWM电压波，经过T变比偶合，使输出端产生大电流的电压，输出通过D7整流，C12滤波，使输出为平滑稳定的5.0V稳压输出。输出电路见图8。N2输出用作电压负反馈。三、总电路原理图7图中220V交流电压经过3A/600V桥式整流和电阻R、电容C5滤波，得到大约+300V自流电压。此直流高压被高频变压器T斩波和降压，变成频率为40KHZ的矩形波电压，再经过D7、C13整流滤波，就得到直流输出电压。它采用固定频率、改变脉冲宽度的调压原理，其工作过程是首先对输出电压（N2反馈的电压）进行采样，然后依次经过误差放大器、过流检测比较器、PWM锁存器、门电路和输出级，去控制开关功率管的导通时间（ont）和关断时间（oFFt），以决定高频变压器的通断状态，最终达到稳压输出的目的。(稳压流程：1、市电变化引起：市电↑→+300V↑→IV↑→比较→PWMont变窄→OUTV↓实现稳压；反之：市电↓→+300V↓→IV↓→比较→PWMont变宽→OUTV↑实现稳压；2：负载变化引起：负载↑→IV↓→比较→PWMont变宽→OUTV↑实现稳压；负载↓→IV↑→比较→PWMont变窄→OUTV↓实现稳压)。UC3842属于电流型脉宽控制器。所谓电流控制型是指，一方面把自馈线圈的输出电压IV反馈给误差放大器，在与基准电压进行比8较后，得到误差电压rV；另一方面初级线圈中的电流在取样电阻R8上建立的电压，直接加到过流比较器的同相输入端，与rV作比较，进行控制脉冲的占空比，使流过开关功率管的最大峰值电流PMI始终受误差电压rV的控制，这就是电流控制型的原理，其优点是调整速度快，一旦+300V输入电压发生变化，就立即引起PMI的变化，迅速调整输出脉冲的宽度。因此采用电流控制型脉宽控制器，可以大大改善开关电源的电压调整率及电流调整率。（稳流过程：1、电压变化引起：+300V↑→PMI↑→rV↓→过流比较→PWMont变窄→OUTV↓实现稳流；+300V↓→PMI↓→rV↑→过流比较→PWMont变宽→OUTV↑实现稳流；2、负载变化引起：负载↑→PMI↑→过流比较→PWMont变窄→OUTV↓→PMI↓实现了稳流；负载↓→PMI↓→过流比较→PWMont变宽→OUTV↑→PMI↑实现稳流）。四、选择器件与参数计算1、噪声滤波器器件选择与参数计算L的电感量一般取几毫亨至几十毫亨，视电源噪声滤波器的额定电流I而定。表1列出L与I的对应关系。表1电感量与额定电流的关系额定电流I（A）136101215电感量范围(mH)8~122~40.4~0.80.2~0.30.1~0.150.07~0.08L典型值(mH)82.50.780.2250.110.073C1、C2采用薄膜电容器，容量范围大至是0.01~0.47Uf,主要用来消除串模干扰。C3、C4跨接在输出端，经电容分压后接地，能有9效的抑制共模干扰。C3、C4宜选用陶瓷电容器,容量范围是2200~4700Pf,耐压值为630V。为提高防潮、抗震动与冲击性能，元件装入金属壳后用环氧树脂封固。2、震荡频率计算震荡频率的计算公式为：f=728.1CR（1.1）将R2=10KΩ，C6=4700p代入公式（1.1），f=38.3kHz,可近视40kHz。3、输出高频变压器的计算型号磁芯面积E-70.49E-121.44E-172.89（1）磁芯的选择高频变压器的最大承受功率Mp与磁芯截面积JS(单位2cm)之间存在下述关系:JS=0.15MP(1.2)实际输出功率为op=OIOV=5*7=35。设效率为=70%，Ip=0.7*35=50W,留设计余量,取Mp=80W,代入公式(1.2)得JS=1.342cm,查上表E-12JS=1.442cm,与之最接近。E-12的饱和磁通密度为SB=400T，使用时为防止出现磁饱和现象损坏开关功率管，可取B=250T。（2）计算脉冲最大占空比公式：maxD=inVeeIm.100%(1.3)10取市电输入范围176-264V。经全波整流和滤波后的直流输入电压axVIm≈360V，inVIm≈240V。单端反激式开关电源中所产生的反向电动势e≈170V,线圈漏感造成的尖峰电压LV=100V。代入公式（1.3）maxD=41.5%。(3)初级线圈的电感量公式:1L=fPDVOin2)(2maxIm(1.4)将=70%,axVIm=240V,maxD=41.5%,Op=35W,f=40kHz代入(1.4)得1L=2.48mH。（3）求峰值电流和过载保护电流公式：PI=maxIm2DVPinO（1.5）SI=1.3PI(1.6)求出PI=%5.41*240*%7035*2=1.0ASI=1.3A在次级线圈上的储能为W=2121SIL=2.1mJ(4)求初级线圈N1匝数公式:N1.SI=JSBW*10*27(1.7)将W=2.1mJ,B=250mT,JS=1.442cm代入（1.7）,