基于UC3842的降壓型DC-DC設(shè)計(jì)

基于UC3842的降壓型DC-DC設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)課題：基于UC3842的降壓型DC-DC設(shè)計(jì)專業(yè)班級(jí)：B120409學(xué)生姓名：****9指導(dǎo)教師：*設(shè)計(jì)時(shí)間：2014年12月18日目錄TOC\o"1-2"\h\u31780摘要： 312771關(guān)鍵詞: 313542一、系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3119291.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 3112021.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 324110二、硬件電路設(shè)計(jì) 4202562.1輸入模塊 445702.2輸出模塊 5159832.3UC3842外圍電路 5312502.4反饋電路 6255842.5開關(guān)管控制電路 727957三、重要元件簡介 7259123.1UC3842 7185383.2PC817 9269013.3TL431 1025728四、計(jì)算 11185384.1續(xù)流二極管的選擇 11269014.2R6--R10 1125961五、原理圖、電路板及PCB圖 1299485.1原理圖 12172255.2電路板 12319815.3PCB圖 1313998六、測試結(jié)果及結(jié)果分析 13296936.1測試結(jié)果 13248436.2測試結(jié)果分析 1415582七、結(jié)論與心得 15基于UC3842的降壓型DC-DC設(shè)計(jì)摘要：為了研究基于UC3842的直流降壓斬波電路，選擇了以UC3842為脈寬控制核心的15V到8V的降壓變換為實(shí)例，詳細(xì)的說明UC3842的用法，外圍電路設(shè)計(jì)，以及反激直流變換器的直接降壓斬波工作原理。該方案里的UC3842可以直接驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，向負(fù)載提供電能。為了整體電路的穩(wěn)定，又在輸出端添加由TL431和PC817組成的反饋電路，對(duì)輸出電壓采樣，把輸出電壓反饋給UC3842，通過內(nèi)部比較器，自動(dòng)的調(diào)節(jié)脈寬，調(diào)節(jié)輸出電壓，以達(dá)到穩(wěn)定。關(guān)鍵詞:UC3842反饋電路濾波一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求表1系統(tǒng)要求輸入電壓輸出電壓工作效率功率15V8V80%以上10W以上1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖本設(shè)計(jì)采用的是一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制器芯片UC3842。該脈寬調(diào)制器能產(chǎn)生頻率固定而脈沖寬度可以調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制大功率開關(guān)管的通斷狀態(tài)來調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，達(dá)到穩(wěn)壓目的，鋸齒波發(fā)生器提供恒定的時(shí)鐘頻率信號(hào)，利用誤差放大器的電壓測定比較器形成電壓閉環(huán)，利用電流測定、電流測定比較器構(gòu)成電流閉環(huán)，在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感電流的信號(hào)與誤差放大器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。假如電源電壓變化或負(fù)載發(fā)生變化使輸出電壓升高時(shí)，則脈寬調(diào)制器就會(huì)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度，即減小輸出PWM波形的占空比，使大功率晶體管導(dǎo)通的時(shí)間變短，斬波后的電壓平均值下降，從而達(dá)到穩(wěn)壓目的。通過上面的解釋，在輸入模塊上輸入直流電壓15V，在輸送到變壓器上之前，進(jìn)行了簡單的濾波電路。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電源向負(fù)載供電負(fù)載電流成指數(shù)上升，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流經(jīng)過二極管（IN5822）續(xù)流，負(fù)載電壓近似為0，電流成指數(shù)下降，為了使電流連續(xù)切脈動(dòng)小，電感L值要比較大。在輸出電路模塊中，為了穩(wěn)定輸出，我們又加入了反饋電路。通過PC817把輸出電路的電壓反饋到UC3842上，再控制脈寬的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定，達(dá)到一個(gè)閉環(huán)的穩(wěn)定系統(tǒng)。系統(tǒng)框架圖如圖1所示，該方案主要有五個(gè)模塊構(gòu)成，他們分別為輸入濾波模塊、反激變壓器模塊、輸出濾波模塊、反饋電路、UC3842主控器模塊。反激變壓器反激變壓器輸入DC輸出濾波電路UC3842主控制器反饋電路DC負(fù)載圖1系統(tǒng)總體框圖二、硬件電路設(shè)計(jì)2.1輸入模塊輸入模塊是15V輸入的地方，輸入設(shè)計(jì)簡單，不帶保護(hù)功能，通過接線端把15V的電壓加在輸入端，經(jīng)過C1（220微法）的濾波后供給下面電路。輸入是為電路提供輸入通道的同時(shí)最小化的降低外界干擾，以免影響后面電路。圖2輸入模塊原理圖2.2輸出模塊設(shè)計(jì) 這個(gè)模塊式電路的輸出通道，外接負(fù)載的地方。輸出電路主要由續(xù)流二極管、儲(chǔ)能電容、電感、功率消耗電路組成。：圖3輸出模塊原理圖續(xù)流二極管通常和儲(chǔ)能元件一起使用，其作用是防止電路中電壓電流的突變，為反向電動(dòng)勢(shì)提供耗電通路。電感線圈可以經(jīng)過它給負(fù)載提供持續(xù)的電流，以免負(fù)載電流突變，起到平滑電流的作用！下面的開關(guān)電源中，就能見到一個(gè)由二極管和電阻串連起來構(gòu)成的的續(xù)流電路。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，防止感應(yīng)電壓過高，擊穿開關(guān)管。輸出端的電容，也是反激結(jié)構(gòu)中電路中一個(gè)很重要的部分，最主要是濾波。2.3UC3842外圍電路圖4該電流型脈寬調(diào)制器有體積小、成本低、外圍元件少、電路簡單、可靠性高、故障率低等優(yōu)點(diǎn)。所以這種脈寬調(diào)制器被廣泛的使用，尤其是在顯示器的電源中，使用得比較普遍。UC3842構(gòu)成的控制電路，既有電流負(fù)反饋控制環(huán)節(jié)，又有電壓負(fù)反饋控制環(huán)節(jié)，這樣使開關(guān)穩(wěn)壓電源的電壓穩(wěn)定性由很大的提高。振蕩器振蕩的頻率是由定時(shí)電阻R3和定時(shí)電容C4共同決定的。2.4反饋電路為了達(dá)到輸出的穩(wěn)定，輸出端采用了電壓反饋電路。這個(gè)反饋電路主要使用了TL431和PC817組成了外部誤差電壓放大器。就是對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，把電壓輸出的信號(hào)反饋給控制芯片UC3842，然后自動(dòng)調(diào)節(jié)脈寬，達(dá)到穩(wěn)定。這樣使用的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，最大限度的減少干擾，提高穩(wěn)定性。圖4反饋電路原理圖TL431有一個(gè)內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)源Vref，接在運(yùn)放的反相輸入端。由運(yùn)放的特性可知，只有當(dāng)REF端（同相端）的電壓時(shí)，三極管中才會(huì)有電流通過，隨著REF端電壓的變化，通過三極管的電流將從1mA到100mA變化。2.5開關(guān)管控制電路圖5為了使開關(guān)管能迅速關(guān)斷，所以在R2旁反并聯(lián)一個(gè)二極管，為功率管關(guān)斷時(shí)提供了低阻抗的反向抽取電流回路，使得當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，將UC3842的第6腳上內(nèi)外電路各個(gè)部件寄存的正電荷迅速的放掉，在這一瞬間有吸入電流流入，也就能使它控制的開關(guān)管迅速的截止。三、重要元件簡介3.1UC3842圖6UC3842實(shí)物圖UC3842為脈寬控制核心的反激變換器開關(guān)電源方案，所以UC3842的應(yīng)用是方案成敗的關(guān)鍵。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、性能優(yōu)良、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在100W以下的開關(guān)電源中有很好的應(yīng)用前景。其內(nèi)部邏輯如下圖7。圖圖7UC3842內(nèi)部邏輯圖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腳為電流檢測輸入端，當(dāng)檢測電壓超過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=1.8/(RT×CT)；⑤腳為公共地端；⑥腳為驅(qū)動(dòng)脈沖輸出端；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。當(dāng)基準(zhǔn)穩(wěn)壓源有5V基準(zhǔn)電壓輸出時(shí)，基準(zhǔn)電壓檢測邏輯比較器即達(dá)出高電平信號(hào)到輸出電路。同時(shí)，振蕩器將根據(jù)④腳外接Rt、Ct參數(shù)產(chǎn)生f=/Rt.Ct的振蕩信號(hào)，此信號(hào)一路直接加到圖騰柱電路的輸入端，另一路加到PWM脈寬市制RS觸發(fā)器的置位端，RS型PWN脈寬調(diào)制器的R端接電流檢測比較器輸出端。R端為占空調(diào)節(jié)控制端，當(dāng)R電壓上升時(shí)，Q端脈沖加寬，同時(shí)⑥腳送出脈寬也加寬（占空比增多）；當(dāng)R端電壓下降時(shí)，Q端脈沖變窄，同時(shí)⑥腳送出脈寬也變變窄（占空比減小）。②腳一般接輸出電壓取樣信號(hào)，也稱反饋信號(hào)。當(dāng)②腳電壓上升時(shí)，①腳電壓將下降，R端電壓亦隨之下降，于是⑥腳脈沖變窄；反之，⑥腳脈沖變寬。③腳為電流傳感端，通常在功率管的源極或發(fā)射極串入一小阻值取樣電阻（即R2），將流過開關(guān)管的電流轉(zhuǎn)為電壓，并將此電壓引入境腳。當(dāng)負(fù)載短路或其它原因引起功率管電流增加，并使取樣電阻上的電壓超過1V時(shí)，⑥腳就停止脈沖輸出，這樣就可以有效的保護(hù)功率管不受損壞。3.2PC817圖8pc817實(shí)物圖pc817是常用的線性光藕，廣泛用在電腦終端機(jī)，可控硅系統(tǒng)設(shè)備，測量儀器等電路之間的信號(hào)傳輸，常常在各種要求比較精密的功能電路中被當(dāng)作耦合器件，具有上下級(jí)電路完全隔離的作用，相互不產(chǎn)生影響。使之前端與負(fù)載完全隔離，目的在于增加安全性，減小電路干擾，減化電路設(shè)計(jì)。圖9pc817內(nèi)部框圖當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)，發(fā)光器發(fā)出光線，照射在受光器上，受光器接受光線后導(dǎo)通，產(chǎn)生光電流從輸出端輸出，從而實(shí)現(xiàn)了"電-光-電"的轉(zhuǎn)換。普通光電耦合器只能傳輸數(shù)字信號(hào)（開關(guān)信號(hào)），不適合傳輸模擬信號(hào)。線性光電耦合器是一種新型的光電隔離器件，能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或電流信號(hào)，這樣隨著輸入信號(hào)的強(qiáng)弱變化會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的光信號(hào)，從而使光敏晶體管的導(dǎo)通程度也不同，輸出的電壓或電流也隨之不同。光耦三極管側(cè)的電路如總拓?fù)鋱D中9所示，圖中2腳應(yīng)接地。光藕三極管直接接在UC3842的COMP端。當(dāng)輸出電壓大于8V時(shí)，TL431的REF端電壓大于2.5V，Tl431可以流過電流，光藕的二極管導(dǎo)通，從而控制三極管導(dǎo)通。UC3842的2端接地，故1端為高電平，而當(dāng)光偶的三極管導(dǎo)通時(shí)，1端電壓被拉至低電平，導(dǎo)致UC3842輸出關(guān)斷，從而控制占空比。3.3TL431圖10TL431實(shí)物圖TL431是可控精密穩(wěn)壓源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意的設(shè)置到從Verf（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值。TL431的具體功能可以用圖11的功能模塊示意。由圖可以看到，VI是一個(gè)內(nèi)部的2.5V的基準(zhǔn)源，接在運(yùn)放的反向輸入端。由運(yùn)放的特性可知，只有當(dāng)REF端（同向端）的電壓高于VI（2.5V）時(shí)，三極管中才會(huì)有電流通過，同相輸入電壓少于2.5V時(shí)，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)（理想狀態(tài)下），隨著REF端電壓的微小變化，通過三極管的電流將從1到100mA變化。該圖不是TL431的實(shí)際內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但可用于分析理解電路。圖11TL431等效分析圖計(jì)算4.1續(xù)流二極管的選擇續(xù)流二極管應(yīng)采用快恢復(fù)二極管,其具有開關(guān)特性好、耐壓高、正向電流大等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)計(jì)算，本設(shè)計(jì)采用快恢復(fù)二極管IN5822正向電流：3A反向耐壓：40V正向壓降：反向漏電流：滿足設(shè)計(jì)要求。4.2TL431參考輸入端的電流，一般此電流為2uA左右，為了避免此端電流影響分壓比和避免噪音的影響，一般取流過電阻R10的電流為參考段電流的100倍以上，所以,又考慮到功耗問題，所以R10在的情況下盡量取大值,所以。TL431的死區(qū)電流為1mA，也就是R6的電流接近于零時(shí)，也要保證TL431有1mA，所以。除此以外也是功耗方面的考慮R6的取值要保證高壓控制端取得所需要的電流，其CTR=0.8--1.6,取低限0.8，要求流過光二極管的最大電流,所以R6的值。光二極管能承受的最大電流在50mA左右，TL431為100mA，所以我們?nèi)×鬟^R6的最大電流為50mA，。由于我們的輸出電壓是8V，要使R10端為TL431參考電壓2.5V，故R8的值應(yīng)為：。由于沒有22K大小的電阻，可以通過串聯(lián)來得到電阻值，選用1.2V為光藕的二極管前向?qū)▔航?。一般沒有特殊要求，光偶的二極管電流在10mA以下為宜。這里我們?nèi)?mA。則流過R7的電流為9mA。取Vk為最小值2.5V，則根據(jù)實(shí)際情況R6選擇490。原理圖、電路板及PCB圖5.1原理圖圖125.2電路板圖135.3PCB圖圖14六、測試結(jié)果及結(jié)果分析6.1測試結(jié)果加入負(fù)載之后的輸入電壓，輸出電壓及輸出電流。表2測試數(shù)據(jù)要求電壓（V）15151515151515輸出電流(mA)79890310041124126313861520實(shí)際輸出電壓(V)7.97.77.757.27.06.86.5 由上表得：電路穩(wěn)定后，輸出功率基本上是在。圖176.2測試結(jié)果分析由上面兩個(gè)圖的對(duì)比可以明顯發(fā)現(xiàn)，加入輸出反饋后，電路明顯比不加反饋穩(wěn)定。如果電路未加入反饋電路，輸出的電壓就不能反饋給UC3843的引腳。因?yàn)殡娐吩诤附雍螅饕_的電阻電容都已經(jīng)固定，那么他的頻率和脈寬都是固定的了。當(dāng)電路中電流增大，產(chǎn)生的影響也隨之增大。由于不能反饋到控制芯片，他的脈寬就不能自動(dòng)變化，輸出的占空比也是一成不變的。雖然輸出電路端雖然加入了反饋電路，但輸出電壓還是和要求輸出電壓有所不同。不過還好，誤差都在允許范圍內(nèi)。由表可以得出，在輸出端