基于UC3845芯片的开关稳压电源设计方案

    本文介绍了一种基于UC3845芯片的开关稳压电源设计方案。该开关电源通过单片机控制数／模电路进行输出电压调节，采用合理有效的滤波和稳压元件配合UC3845芯片工作。该电源产品的DC—DC转换效率高达91％，输出纹波电压小于0．45V。在该设计中，修改并确认了UC3845芯片的振荡频率系数的计算方法，提出了改善输出信号波形的具体有效措施。其低成本、高效高质的电路设计以及产品的调试方法具有一定的推广价值。

    开关电源具有功耗小，效率高，稳压范围宽，体积小等优点，在通信设备、家用电器、仪器仪表等电子电路中应用广泛。本文设计的开关电源要求只有一组输出电压，输出电压调节范围在25～36V之间，输出电压纹波不超过0．8V，输出最大功率不低于70W。在开关电源的各种典型结构中，反激式开关电源硬件电路简单，输出电压既可高于输入电压，又可低于输入电压，非常适合用于输出功率在200W以下的开关电路。因此设计方案采用了非隔离式反激变换器构成开关电路，选用电流模式控制芯片UC3845为功率开关管提供驱动电流，实现宽幅稳压和高效转换的功能。

    1非隔离反激式变换器电路原理

    反激式变换器有两种不同形式，非隔离反激式变换器(见图1)和隔离反激式变换器(见图2)。非隔离反激式变换器只有一个输出电压，适合于只有一组输出且不用隔离的电源，变换器只需要处理一个绕组电感。隔离反激式变换器可以在变压器次级有多个绕组，方便地输出多组与输入电压隔离的输出电压，并且可以通过调节变压器的变比得到大小不同的输出电压。但与非隔离反激式变换器相比，多个绕组的变压器磁芯元件将是电源设计中的一大关键。   

        对于非隔离反激式变换器，输出电压和输入电压没有隔离，输出电压不低于输入电压。在一个开关周期内，开关导通时，电压加在电感上，电流以某斜率上升，并储存能量在电感中；当开关关断的时候，电感电流经过二极管放电。

2 UC3845工作原理介绍
    UC3845是安森美半导体公司的高性能固定频率电流模式控制器。该控制器是专为离线和DC-DC变换器应用而设计的，它可以使设计者使用最少的外部元件即而获得高成本效益的解决方案。UC3845具有高达500 kHz的开关频率、大图腾柱输出电流等特性，是开关电源电路中驱动功率MOSFET管的理想器件。
    UC3845芯片具有双列直插8管脚塑料封装以及14管脚塑料表面贴封装两种形式，芯片内部电路具有振荡器、高增益误差放大器、电流取样比较器、PWM所存电路、5 V基准电路、欠压锁定电路和电流图腾柱输出电路等，如图3所示。

   
    (1)5 V基准电路。该部分电路由芯片工作电压欠压锁定提供，作为芯片内部电源，经分压衰减得到2．5 V作为误差放大器的比较基准；另外基准电路也提供5 V参考电压给第8(14)管脚。
    (2)振荡器。振荡器电路产生方波振荡，振荡频率最大为1 MHz，由管脚4(7)与管脚8(14)之间的RT以及管脚4(7)与GND之间连接的CT决定。计算公式推导如下：
    fosc=k／(RTCT)        (1)
    UC3845在RT=10 kΩ，CT=3．3 nF时，振荡频率fosc=52 kHz。代入式(1)，得到k=1．72。
    因此，UC3845芯片的振荡电路频率表达式可以表示如下：
    fosc=1．72／(RTCT)    (2)
    (3)高增益误差放大器。UC3845内部提供一个可访问反相输入和输出的全补偿误差放大器。由电压反馈端2(3)管脚输入的反馈电压与2．5 V进行比较，产生的误差电压用于调节脉冲宽度。该误差电压经1管脚输出接RC网络，用于改变增益和频率特性进行外部回路补偿。

    (4)电流取样比较器。电感电流通过与输出开关Q1源极串联的参考取样电阻R转换成电压。此电压有电流取样输入管脚3(5)监视，并与来自误差放大器的输出电平进行比较。当取样电压大于1 V时，输出脉冲关闭，使开关管关断，起到过流保护的作用。为了抑制电流波形前的尖脉冲，通常在电流取样输入管脚与取样电阻之间增加RC滤波器消除尖脉冲引起的不稳定性。RC滤波器的时间常数接近尖脉冲的持续时间。典型应用电路如图5所示。

    (5)PWM锁存电路。UC3845的电流取样比较器和脉冲宽度锁存电路配置可确保在任何给定的振荡周期内，输出端仅有一个单脉冲输出。即输出端的每个控制脉冲不会超过一个振荡周期，也就是所谓的逐脉冲控制。

    (6)欠压锁定电路。UC3845采用两个欠压锁定比较器，以保证在输出级被驱动之前集成电路已经工作。正电源电压VCC和参考输出电压Vref各自由分离的具有滞后特性的比较电路监视，防止工作在各自门限值时出现错误输出动作。Vcc比较器的上下门限分别为8．4 V和7．6 V；Vref比较器的上下门限为3．6 V和3．4 V。

    (7)输出电路。UC3845采用两个NPN型晶体管连接的图腾柱式输出电路。晶体管A的集电极接电源Vcc，发射极接晶体管B的集电极，晶体管B的集电极接地。两个晶体管的基极分别接前级控制，晶体管的连接处为输出端。A管导通则B管截止，输出高电平；B管导通A管截止，输出低电平；两管均截止时输出为高阻状态。

    3 开关电源设计

    3．1 开关电源系统组成

    图6所示开关电源电路可以很好地满足设计要求。储能元件L1、功率开关管Q1组成开关稳压器，UC3845构成开关的电流控制电路。220 V电网电压经过交流变压为18 V左右的交流信号U2，再经过桥式整流、滤波、稳压后，为UC3845提供工作电压。整流滤波后的直流电压正极经过L1接入开关管Q1的漏极。当Q1导通时，输入整流电压经L1，Q1漏源极、R7组成回路，输入整流电压全部加在L1两端，从而使电能转变为磁能储存于L1。当Q1截至时，L1产生的自感电势与输入整流电压串联连接，通过二极管D1向负载供电。Q1导通时间正比于L1存储能量，因此通过UC3845控制功率开关管通断占空比，可以使输出电压可控。   

    UC3845在电流控制电路中的工作过程如下：整流后的直流电压经过LM7812稳压后，为UC3845提供工作电压。UC3845的6管脚经过一个小隔离电阻R4输出脉冲驱动功率开关管，功率开关管Q1导通，L1储能；脉冲消失则Q1截止，L1释放能量。管脚2的反馈电压值取自分压后的输出电压，反馈电压值Ufb=，该值的变化可以改变UC3845输出脉冲占空比，从而使输出电压稳定。调整Ufb即可完成输出电压在一定范围内的输出控制。Q1栅源极电流被R7取样后，经过R6和C12滤波，送入UC3845的电流取样端口。该取样信号作为开关管Q1的过流保护信号，当电路异常，导致开关管导通时间过长，使Q1源极电流增大，电流取样管脚的电压升高而控制UC3845驱动电流脉冲占空比变小。当管脚3的取样电压升高至1 V时，控制输出脉冲持续截至，从而达到保护功率开关管的目的。Rt和Ct决定了UC3845的振荡频率，而功率管的开关频率为芯片振荡频率的1／2。UC3845的误差放大器输出信号经R9和C11滤波电路后对反馈环路进行补偿。
3．2 输出纹波电压控制措施
    图6所示开关电源电路给出了部分阻容元件参数，可以有效完成滤波以及降低输出纹波电压。桥式整流后的电流与地线之间以及输出端与地线之间分别连接1 μF以及4 700μF的电容，有效滤除高频噪声和低频干扰，降低输出纹波电压。UC3845的VCC，Vref管脚和地线之间连接瓷介旁路电容(0．1 μF)的目的也是为了滤除高频噪声。
3．3 开关电源输出可调控制系统
    图7给出开关电源在调试过程中通过CONTROL端连接的可调电阻VR1进行输出电压控制与测试。在实际应用中，连接图8所示的控制系统进行更精确的步进式电压控制以及电压检测与显示。

    
    图8为软件主程序流程图以及中断子程序流程图。主程序首先对中断寄存器、定时器、键盘、LCD、A／D、D／A控制口初始化，然后进入A／D循环采样，并使用LCD显示采样结果。中断子程序为8051的INT0外部中断处理程序，主要完成键盘扫描以及D／A输出控制电压。键盘输入要显示的开关电源电压与D／A变换器输出的控制电压之间的关系通过实验系统调整VR1进行测试得到相对应的关系。

    
3．4 实验测试数据分析
    实验电路测试框图如图9所示示。将大功率滑线变阻器(100 W／1 kΩ)RL作为负载，串联万用表(DC／20 A)接入到输出端；输出电压可调范围为21～36．1 V，可通过键盘输入21～36 V，步进为1 V，则输出端可输出电压为相应的21～36 V；将大功率滑线变阻器(200 W／30 Ω)作为负载，串联万用表(DC／20 A)接入到输出端，将UC3845的2管脚跳线接到可调电阻端，调节可调电阻使输出电压最大；改变负载值，直到万用表显示电流达到2．2 A后一段时间，用手触摸开关稳压电源的各大功率器件，发热但是不烫手，则认为该电源正常工作状态下的输出电流可以达到2．2 A；减小负载组值，同时监测输出电压和输出电流，可以看到过流降压保护现象，动作电流为2．35 A。

    
    输出噪声纹波峰峰值：使用示波器(AC，200 ms／div)测量负载两端噪声，得到Uopp<0．45 V；图10为输出最大值时的纹波以及输出电压图(CH1：输出纹波，CH2：输出信号直流电压)；在Io=2 A，Uo=33．4 V的测试条件下，将万用表(DC／20 A)串联到L1线圈前，测量得到Ii=  3．65 A，Ui=20．1 V，则DC—DC变换器的效率η=UoIo／(UiIi)=91％；UC3845第4管脚处测得信号振荡频率为170．8 kHz，与按照式(2)推导的理论值172 kHz非常接近。因此在式(2)中，k值取1．72比有些教材中取k=1．8更合适。信号波形见图11(CH1：振荡器信号，CH2：输出信号直流电压)。

    4 结语

    介绍的非隔离反激式变换器也称为升压变换器(Boost电路)。该开关电源经过实验测试，输出电压调节灵活，DC-DC转换效率高达91％，输出纹波电压小于0．45 V。论文给出了开关电源的详细电路图以及部分阻容元件参数，修正了振荡器频率参数，提供了电路的调测方法。该硬件电路简单，变换效率高，纹波控制有效的特点值得借鉴。