第３８卷第４期 电子器件 Ｖ０１．３８ Ｎｏ．４ ２０１５年８月 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ａｕｇ．２０１５ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｔｈｒｅｅ Ｏｕｔｐｕｔ Ｓｍａｌｌ－Ｐｏｗｅｒ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ－Ｓｕｐｐｌｙ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＵＣ３８４２ ＷＡＮＧ Ｘｉａ ，ＷＡＮＧ Ｊｉｎｙｕｎ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００５４。Ｃｈｉｎａ ２． ｚ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈａｎｘｉ Ｕｎｉｅｖｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ＂ａｎ ７１００２１，Ｃｈｉａｎ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｓｗｉｔｃｈ ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ ４８ Ｖ ｔｏ ｔｈｅ十５ Ｖ．１５ Ｖ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＵＣ３８４２ ｕｓｅｄ ａｓ ＰＷＭ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ＴＬ４３ １ ａｎｄ ｌｉｎｅａｒ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｕｐｌｅｒ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｓ ａ ｖｏｌｔａｇｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ￣ｅｄｂａｃｋ ｃｉｒ－ ｃｕｌｔ．Ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｍａｉｎ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ（＋５ Ｖ ＤＣ＠２Ａ）ｉｓ ０．５％，ｔｈｅ ｒｉｐｐｌｅ ｏｆ ｖｏｌｔａｇｅ ｉｓ ０．４％；ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ １（＋１５ ＶＤＣ＠５００ ｍＡ）ｉｓ ２％（１４．７ Ｖ），ｔｈｅ ｉｒｐｐｌｅ ｏｆ ｖｏｌｔａｇｅ ｉｓ ０．１３％；ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆａｕｘ— ｉｌｉａｒｙ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ２（一１５ Ｖ ＤＣ＠５００ ｍＡ）ｉｓ ２％，ｔｈｅ ｒｉｐｐｌｅ ｏｆｖｏｌｔａｇｅ ｉｓ ０．３３％．Ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｈａｓ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｓｍａｌｌ ｒｉｐｐｌｅ，ｈｉｇｈ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｌｅ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ａｌｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｓｍａｌｌ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ－ｓｕｐｐｌｙ；ＵＣ３８４２；ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｖｏｌｔａｇｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＥＥＡＣＣ：１２１０ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－９４９０．２０１５．Ｏ４．０１４ 基于ＵＣ３８４２的三路输出小功率开关电源设计 王侠ｈ，王进军 （１．西安科技大学电气与控制工程学院，西安７１００５４；２．陕西科技大学理学院，西安７１００２１） 摘要：设计一种４８ Ｖ转＋５ Ｖ，±１５ Ｖ开关电源。以ＵＣ３８４２作为ＰＷＭ控制器，采用电阻，ＴＬ４３１和线性光耦等元器件构成 电压采样反馈电路。主输出（＋５ Ｖ ＤＣ＠２ Ａ）电压精度０．５％，纹波０．４％；辅输出１（１５ ＶＤＣ＠５００ｍＡ）电压精度为２％，纹波 ０．１３％；辅输出２（一１５ ＶＤＣ＠５００ｍＡ）电压精度２％，纹波０．３３％。开关电源具有精度高、纹波小、效率高、性能可靠等优点，可 广泛应用于各类小功率变换场合。 关键词：开关电源；ＵＣ３８４２；脉冲宽度调制；电压精度 中图分类号：ＴＭ５６４．８；ＴＭ９１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５－９４９０（２０１５）０４－０７８５－０５ 电源是一切电子设备的动力心脏，其性能的优 件，是国内应用比较广泛的一种电流控制型脉宽调 劣直接关系到整个系统的安全性和可靠性指标。开 制器，其结构原理图如图１所示 ，主要由振荡 关电源以其效率高、体积小等优点，在通信、计算机 器、误差放大器、电流取样比较器、脉宽调制锁存器 及家用电器等领域得到广泛应用，特别是目前便携 等功能模块构成。由于结构上有电压环、电流环双 式设备市场需求巨大，ＤＣ－ＤＣ开关电源的需求也越 环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调 来越大，性能要求也越来越高¨ Ｊ。因此设计和开 整率和瞬态响应特性都有提高。是比较理想的新型 发开高性能的开关电源具有很大的市场前景。本文 的控制器。 以ＵＣ３８４２为ＰＷＭ控制器设计了一种４８ Ｖ转＋５ 电路上电时，外接的启动电路通过引脚７提供芯 Ｖ，±１５ Ｖ开关电源。 片需要的启动电压。在启动电源的作用下，芯片开始 １ ＵＣ３８４２器件介绍及工作原理 工作，脉冲宽度调制电路产生的脉冲信号经６脚输出 驱动外接的开关功率管工作。功率管工作产生的信 ＵＣ３８４２是由Ｕｎｉｔｒｏｄｅ公司开发的新型控制器 号经取样电路转换为低压直流信号反馈到３脚，维护 收稿日期：２０１４－１０－１４ 修改日期：２０１４－ｌ１—１０ ７８６ 电 子 器件 第３８卷 图１ ＵＣ３８４２结构原理图 系统的正常工作。电路正常工作后，取样电路反馈的 低压直流信号经２脚送到内部的误差比较放大器，与 内部的基准电压进行比较，产生的误差信号送到脉宽 ２开关电源设计 本文所设计的小功率开关电源预定的技术指标 调制电路，完成脉冲宽度的调制，从而达到稳定输出 电压的目的。如果输出电压由于某种原因变高，则２ 脚的取样电压也变高，脉宽调制电路会使输出脉冲的 宽度变窄，则开关功率管的导通时间变短，输出电压 变低，从而使输出电压稳定，反之亦然。锯齿波振荡 电路产生周期性的锯齿波，其周期取决于４脚外接的 如下：输入电压：Ｖｉ ＝４８ Ｖ（允许２０％的波动）；主输 出：＋５ Ｖ ＤＣ＠２ Ａ，电压精度０．５％，纹波系数小于 ０．５％（峰峰值２０ ｍＶ）；辅助输出１：＋ｌ５ Ｖ ＤＣ＠５００ ｍＡ，电压精度２％，纹波系数小于０．１５％（峰峰值２０ ｍＶ）；辅助输出２：一１５ Ｖ ＤＣ＠５００ ｍＡ，电压精度 ２％，纹波系数小于为０．３５％（峰峰值５０ ｍＶ）；输出 ＲＣ网络。所产生的锯齿波送到脉冲宽度调制器，作 为其工作周期，脉宽调制器输出的脉冲周期不变，而 脉冲宽度则随反馈电压的大小而变化。 功率：Ｐ０＝２５ Ｗ；效率：叼≥８０％；开关频率．厂＝５０ ｋＨｚ；最大占空比：４０％。 如图２所示，电路采用典型的直流降压斩波电 第４期 王侠，王进军：基于ＵＣ３８４２的三路输出小功率开关电源设计 ７８７ 路，主要由ＰＷＭ主控器电路、功率管及驱动电路、 输出电路、电压反馈电路、电流采样及滤波电路以及 上电切换电路等部分组成 。 ２．１变压器参数计算 根据指标要求，绕变压器时为了给变压器留有 足够的余量，电压波动按２０％计算，当输入电压＋４８ Ｖ时，则最小输入电压ｖｉ ｆｍｊ ）＝４３．２ Ｖ，最大输入电 压Ｖｉ （ １＝５２．８ Ｖ。取开关频率厂＝５０ ｋＨｚ，则 ＝２０ ｓ。取转换效率叼＝８０％，最大占空比Ｄ ＝４０％。 则ｔ。 ＝２０￣４０％＝８ ｔｘｓ。 根据变压器的断续条件，变压器原边与副边的 匝数比Ｋ 与最大占空比ＪＤ一的关系ｌｌ ： 瓦Ｌｉｍａｘ （１） 式中：Ｖｉ １＝４３．２ Ｖ，Ｖｏ＝５ Ｖ＋１ Ｖ（二极管压降以 及副边线圈内阻分压），Ｄ ＝５０％，计算得Ｋ ＞７．２， 因此这里选取８。输出功率Ｐ。＝２５ Ｗ，假设开关管 的导通压降为１ Ｖ，由公式 ： ＝Ｐ。 ＝ 号 Ｌ（２） Ｐ 可计算出原边电感的峰值电流值和原边电感 值：，Ｐ＝３．６１ Ａ，Ｌ ＝９５．７３ Ｈ。运用Ａ 法进行磁芯 的选取，适合电路设计的磁芯的Ａ 值为…： －Ｐ Ａ Ａｅ。Ａ ≥ 。 （３） 叼。 ｍ ，ｓ。Ａｒ’Ａｄ 铁心材料选为铁氧体，取Ｂ ＝２００ ｍＴ， ＝０．５， ＝４ Ａ／ｍｍ 。将这些数据代人式（３）中得Ａ ≥ ０．１６７ ｅｍ 。按照铁氧体铁心生产厂家提供的手册， 可以选择铁心型号为ＰＣ４０ＥＩ２５－Ｚ的磁芯。 由变压器原边匝数计算公式＿１ Ｊ： ， Ⅳ ＝ （４） Ｄｍ。Ａｅ 代人数据得 ＝３．６１ Ａ，ＬＰ＝９５．７３ ＩｘＨ，计算出 变压器原边匝数Ｎ．＝４１．９６ 开关管在关断时，瞬间会在源边电感处产生一 个大电压，如果电压过大，超过ＭＯＳ管的耐压值，会 烧毁ＭＯＳ管，所以在源边电感处设计了一个ＲＣ的 吸收电路＿７］，如图２所示。 ２．２开关管选取 电力ＭＯＳＦＥＴ是近年来发展最快的全控型电 力电子器件之一。它的显著特点是用栅极电压来控 制漏极电流，因此所需驱动功率小、驱动电路简单； 又由于是靠多数载流子导电，没有少数载流子导电 所需的存储时间，是目前开关速度最高的电力电子 器件，在小功率电力电子装置中，是应用最为广泛的 器件，因此开关管选取电力ＭＯＳＦＥＴ。 所选取的ＭＯＳＦＥＴ管的耐压值应大于：Ｋ ＋ １ ｖｉ （…）＝１００．８ Ｖ；平均电流：，Ａｖ＝÷Ｄ，Ｐ＝０．７７２ Ａ，综 合考虑这里选择ＭＯＳ开关管ＩＲＦ６４０，１８ Ａ／２００ Ｖ 的管子，其导通电阻为０．１５Ｑ。 ２．３整流二极管的选取 整流二极管的选取肖特基二极管，根据二极管 承受的反相电压的计算公式 Ｊ： 、＝ ＋ （５） ＡＴ 可以计算输出电压分别为＋５ Ｖ、－４－１５ Ｖ时二极 管承受的反相电压１ １６．０ Ｖ、３２．６ Ｖ。因此选用型号 为ＳＲ５６０和ＳＲ１６０肖特基二极管。 由肖特基二极管的结电容在几百皮法左右，结 电容在导通时容易积累电荷，当副边电流减为零时， 结电容会通过电感线圈放电，从而产生振荡。为了 防止这种情况的发生，在＋５Ｖ输出端肖特基二极管 两端饼上较大的电容 ］，以增大振荡周期，减少高 频振荡，如图２所示。 ２．４输出滤波电路 输出整流滤波电路直接影响到电压波纹的大小， 影响输出电压的性能，这里要采用 型滤波，取Ｌ＝１０ Ｈ，选用１ ０００ Ｆ／３５ Ｖ的铝电解电容，如图２所示。 ２．５采样及采样滤波电路设计 为了将占空比控制在４０％以内，需要采样电阻来 保证。前面变压器部分计算得：４０％占空比时Ｉｐ＝ ３．６ｌ Ａ，根据对应关系，此时的采样电压对应１ Ｖ，即： １ Ｖ Ｒｓ＝ Ｉｐ ＝０．２７７１）， （６） 这里选取０．３ ｎ电阻。 １Ｖ ／ｐｍ￣ｘ－－ Ｒｓ ３・３Ａ （７） 即此时的峰值电流是３．３ Ａ。采样电阻的功耗： Ｐ ＝Ｉｒｍ ｘＲ ＝１．３１ Ｘ０．３＝０．５ Ｗ （８） 因为实际选取电阻应该选取２倍以上的额定功 率的功率电阻，这里选用１ Ｗ的０．３ Ｑ的采样电阻， 选用４只１．２ Ｑ １／４ Ｗ的电阻并联作为采样电阻。 为了不失真的进行对电路进行采样，需要滤除 高于开关频率的干扰信号。这里选取２倍开关频率 ’为截止频率 则丽１ ，＞５０×１０３，取滤波ｃ＝４７ ｐＦ， 求得滤波Ｒ＝１．５ Ｋ。
