UC3842為核心器件的單端反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

本文基于UC3842高性能電流模式脈沖寬度調(diào)制(PWM)發(fā)生器控制的開關(guān)電源，適合應(yīng)用于此類醫(yī)療系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)通過光耦實(shí)現(xiàn)輸出和輸入的隔離，不僅提高了電源的效率，簡化了外圍電路，也降低了電源的成本和體積，使電源具有輸出電壓穩(wěn)定，紋波小等優(yōu)點(diǎn)。

以UC3842芯片為核心，提出了一種醫(yī)用開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案。首先闡述了UC3842的基本原理，在此基礎(chǔ)上提出了單端反激開關(guān)電源的原理和設(shè)計(jì)方法。UC3842是Unitorde公司推出的電流型脈寬調(diào)制器，該調(diào)制器單端輸出，可以直接驅(qū)動(dòng)雙極型功率管或場(chǎng)效應(yīng)管，適用于無工頻變壓器的 20~80W小功率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)。文章介紹的設(shè)計(jì)方案采用單端反激式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)寬電壓輸入，穩(wěn)定的直流輸出，具有輸入紋波小，輸出穩(wěn)定，體積小，質(zhì)量輕，效高，電磁兼容好等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地滿足醫(yī)療設(shè)備供電需求。

UC3842 采用固定工作頻率脈沖寬度可控調(diào)制方式，共有8 個(gè)引腳，各腳功能如下：①腳是誤差放大器的輸出端，外接阻容元件用于改善誤差放大器的增益和頻率特性;②腳是反饋電壓輸入端，此腳電壓與誤差放大器同相端的2.5V 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓，從而控制脈沖寬度;③腳為電流檢測(cè)輸入端， 當(dāng)檢測(cè)電壓超過1V時(shí)縮小脈沖寬度使電源處于間歇工作狀態(tài);④腳為定時(shí)端，內(nèi)部振蕩器的工作頻率由外接的阻容時(shí)間常數(shù)決定，f=1.72/(RT×CT);⑤腳為公共地端;⑥腳為推挽輸出端，內(nèi)部為圖騰柱式，上升、下降時(shí)間僅為50ns 驅(qū)動(dòng)能力為±1A ;⑦腳是直流電源供電端，具有欠、過壓鎖定功能，芯片功耗為15mW;⑧腳為5V 基準(zhǔn)電壓輸出端，有50mA 的負(fù)載能力。

用電路元件符號(hào)表示電路連接的圖，叫電路圖。電路圖是人們?yōu)檠芯?、工程?guī)劃的需要，用物理電學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化的符號(hào)繪制的一種表示各元器件組成及器件關(guān)系的原理布局圖，可以得知組件間的工作原理，為分析性能、安裝電子、電器產(chǎn)品提供規(guī)劃方案。

電路圖是電子工程師必學(xué)的基本技能之一，本文集合了穩(wěn)壓電源、DCDC轉(zhuǎn)換電源、開關(guān)電源、充電電路、恒流源相關(guān)的經(jīng)典電路資料，為工程師提供最新鮮的電路圖參考資料，超全超詳細(xì)，只能幫你到這了!

一、穩(wěn)壓電源

此穩(wěn)壓電源可調(diào)范圍在3.5V～25V之間任意調(diào)節(jié)，輸出電流大，并采用可調(diào)穩(wěn)壓管式電路，從而得到滿意平穩(wěn)的輸出電壓。

工作原理：經(jīng)整流濾波后直流電壓由R1提供給調(diào)整管的基極，使調(diào)整管導(dǎo)通，在V1導(dǎo)通時(shí)電壓經(jīng)過RP、R2使V2導(dǎo)通，接著V3也導(dǎo)通，這時(shí)V1、V2、 V3的發(fā)射極和集電極電壓不再變化(其作用完全與穩(wěn)壓管一樣)。調(diào)節(jié)RP，可得到平穩(wěn)的輸出電壓，R1、RP、R2與R3比值決定本電路輸出的電壓值。

元器件選擇：變壓器T選用80W～100W，輸入AC220V，輸出雙繞組AC28V。FU1選用1A，F(xiàn)U2選用3A～5A。VD1、VD2選用 6A02。RP選用1W左右普通電位器，阻值為250K～330K，C1選用3300μF/35V電解電容，C2、C3選用0.1μF獨(dú)石電容，C4選用 470μF/35V電解電容。R1選用180～220Ω/0.1W～1W，R2、R4、R5選用10KΩ、1/8W。V1選用2N3055，V2選用 3DG180或2SC3953，V3選用3CG12或3CG80。

引言

近年來隨著電源技術(shù)的飛速發(fā)展，開關(guān)穩(wěn)壓電源與同容量的線性穩(wěn)壓電源相比，具有效率高，功率低，體積小，質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)入上世紀(jì)90年代以來，開關(guān)電源已廣泛應(yīng)用在各種電子電器設(shè)備、通訊、電力檢測(cè)設(shè)備電源之中。同時(shí)在醫(yī)療儀器設(shè)備中也得到了越來越廣泛的應(yīng)用，比如心電圖機(jī)，輸液泵，超聲診斷儀，監(jiān)護(hù)儀，CT機(jī)等等。開關(guān)電源的質(zhì)量好壞直接影響整個(gè)醫(yī)療電子設(shè)備的可靠性，因此，在醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)中開關(guān)電源的設(shè)計(jì)也越來越得到重視。文章基于 UC3842高性能電流模式脈沖寬度調(diào)制(PWM)發(fā)生器控制的開關(guān)電源適合應(yīng)用于此類醫(yī)療系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)通過光耦實(shí)現(xiàn)輸出和輸入的隔離，不僅提高了電源的效率，簡化了外圍電路，也降低了電源的成本和體積，使電源具有輸出電壓穩(wěn)定，紋波小等優(yōu)點(diǎn)。

1 UC3842芯片介紹

UC3842是美國UNIRODE公司生產(chǎn)，此IC具有引腳少(8腳)，外接元件少，接線簡單，可靠性高，成本低等優(yōu)點(diǎn)。UC3842是電流控制型脈寬調(diào)節(jié)器。通常用于單端反激式變換器。。

UC3842的內(nèi)部等效電路

1腳和2腳為補(bǔ)償端和內(nèi)部電壓比較器的反相輸入端;3腳為電流檢測(cè)輸入端，外接過流檢測(cè)電阻，可構(gòu)成過流保護(hù)電路，當(dāng)3腳電壓等于或高于1 V時(shí)，電流控制檢測(cè)比較器輸出高電平，復(fù)位PWM鎖存器，從而關(guān)閉輸出脈沖;4腳接振蕩電路，產(chǎn)生所需頻率的鋸齒波RT接在4，8腳之間，CT接在4腳和地之間，5腳為地;6腳為輸出端，有拉、灌電流能力，能直接驅(qū)動(dòng)雙極型功率管或MOS管。7腳是其電源端，芯片工作的開啟電壓為16 V，欠壓鎖定電壓為10 V;8腳是其內(nèi)部基準(zhǔn)電壓(5 V)。

2 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)及工作過程

醫(yī)療設(shè)備中使用的開關(guān)電源基本電路由輸入電路、功率變換電路、輸出電路和控制電路等組成。

輸入電路包括整流電路、EMI濾波電路及暫態(tài)保護(hù)電路。整流電路是把輸入交流變?yōu)橹绷?，通常開關(guān)電源中的整流電路是采用電容輸入型。EMI濾波電路由電容和線圈組成，其作用是濾除電網(wǎng)中的高頻雜波和同相干擾信號(hào)，以及避免電源中產(chǎn)生的電磁干擾泄露到外面。暫態(tài)保護(hù)電路具有雷擊保護(hù)，開機(jī)沖擊電流限制以及輸入過電流保護(hù)功能。功率變換電路是開關(guān)電源的核心部分，主要由開關(guān)電路和變壓器組成。開關(guān)晶體管要選用開關(guān)速度快，導(dǎo)通和工作時(shí)間短的。通常功率開關(guān)管的控制方式選擇脈寬調(diào)制。輸出電路是把高頻變壓器的次級(jí)方波電壓整流成單向脈動(dòng)電流，并將其平滑成設(shè)計(jì)要求的低波紋直流電壓。同時(shí)，以直流電的輸出電壓為反饋信號(hào)，通過隔離的反饋電路，由前級(jí)的PWM控制電路進(jìn)行電壓的調(diào)節(jié)，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。控制電路的主要作用是向驅(qū)動(dòng)電路提供矩形脈沖序列，控制脈沖寬度和頻率，從而達(dá)到改變輸出電壓的目的。

3 反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)

文章用UC3842為核心器件設(shè)計(jì)了一個(gè)單端反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源控制電路是一個(gè)電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。開關(guān)穩(wěn)壓電源電路圖。

115V的交流輸入電壓經(jīng)整流濾波后為電路提供直流工作電壓。起動(dòng)電路由電容C2和電阻R2構(gòu)成，C2經(jīng)電阻R2充電，當(dāng)達(dá)到16 V時(shí)，UC3842有輸出;使MOS開關(guān)Q1導(dǎo)通，能量存貯在變壓器T1中，此時(shí)，由于二次側(cè)各路整流二極管反向偏置，故能量不能傳到T1的二次側(cè)，T1 側(cè)的一次側(cè)電流通過電阻R10檢測(cè)并與UC3842內(nèi)部提供的1 V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)達(dá)到這一電平時(shí)Q1關(guān)斷。所有變壓器的繞組極性反向，輸出整流二極管正向偏置，存貯在T1中的能量傳輸?shù)捷敵鲭娙萜髦?。啟?dòng)結(jié)束后，反饋線圈的電壓整流后經(jīng)取樣電阻分壓回送到誤差放大器的反向端(2腳)和UC3842內(nèi)部的2.5 V基準(zhǔn)電壓作比較來調(diào)整驅(qū)動(dòng)脈沖寬度。從而改變輸出電壓以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的控制。這樣能量周而復(fù)始地存貯釋放，給各路輸出端提供電壓。

穩(wěn)壓反饋環(huán)境由R12，光耦合器，TL431等組成。其穩(wěn)壓原理：若輸出電壓因負(fù)載變輕而升高時(shí)，流過光耦合器的發(fā)光二極管電流增大，其發(fā)光強(qiáng)度增加，反饋至光耦合三極管使CE間電阻變小，使加至1腳的電壓降低，從而使6腳的PWM信號(hào)寬度變窄，從而達(dá)到穩(wěn)壓的目的。

4 參數(shù)設(shè)計(jì)

在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中，高頻變壓器的設(shè)計(jì)與計(jì)算是至關(guān)重要的，其工作量也是比較大的，它的設(shè)計(jì)方法與其他類型的變壓器不同。下面以電源設(shè)計(jì)功率為70W，效率為η=80%，工作頻率為30kHz為例，說明電路的設(shè)計(jì)方法。

4.1 變壓器鐵芯設(shè)計(jì)

采用面積相乘法設(shè)計(jì)變壓器，由面積相乘法公式

其中Ag為有效鐵芯面積，Aw為窗口面積，Up為原邊電壓，當(dāng)原邊電壓波動(dòng)時(shí)，取最低輸入電壓。Ip為原邊輸入電流，Us為副邊輸出電壓，Is為副邊輸出電流，Kw為窗口利用系數(shù)，一般為0.40，fs為開關(guān)頻率(Hz)，△B為磁通密度變化率(T)，j為電流密度，一般取400A/cm2。

鐵氧體磁芯磁感應(yīng)強(qiáng)度取65%的飽和值：

變壓器效率η為80%：則原邊輸入功率為

。則

Up =220×1.4×0.8=248V

4.2 原副邊繞組匝數(shù)計(jì)算

原邊繞組每匝伏數(shù)

取整流二極管壓降為0.7 V。副邊繞組壓降為0.6 得：5 V副邊繞組匝數(shù)匝

，取7匝。

新的反激每匝伏數(shù)

±15 V副邊繞組匝數(shù)匝

，取22匝。

24 V副邊繞組匝數(shù)

匝，取整為33匝。

5 結(jié)束語

該電源經(jīng)使用證明，電源設(shè)計(jì)合理，工作可靠，性價(jià)比高，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和廣闊的前景。UC3842是一種高性能的固定頻率電流型控制器，單端輸出，可直接驅(qū)動(dòng)晶體管和MOSFET，具有管腳數(shù)量少，外圍電路簡單，安裝與調(diào)試簡便，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了對(duì)醫(yī)療設(shè)備供電的功能，對(duì)醫(yī)療設(shè)備的整體性能提高大有益處。