基于UC3843的输出可调开关电源设计

路子翔，李开宇，李 磊，石 玉，胡广亮

（南京航空航天大学 自动化学院，南京211000）

电源是现代社会必不可少的设备，从日常生活到工业生产，都离不开各式各样的电源装置。随着科技的发展，人们对电源的体积、效率等有了更高的要求，因此促进了开关电源的诞生和发展。开关电源利用功率半导体器件作为开关，利用脉冲宽度调制（PWM）或脉冲频率调制（PFM）技术，在转变电源形态时对开关变换器实现自动闭环控制来稳定输出电压。相比于传统线性电源体积庞大笨重、转换效率偏低的缺点，开关电源具有体积小、效率高、输出功率大等优点，因此成为应用面最广，应用数量最多的电源[1]。根据电控系统的需要，设计功率150 W，输出电压3～100 V 连续可调的开关电源，其纹波电压的峰峰值小于500 mV。

1 总体设计

本文设计的开关电源由变压器、整流滤波模块、PWM 控制模块、boost 升压电路、整流输出模块构成。主要工作原理如下：220 V 市电通过变压器降压到约30 V，经过AC-DC 整流滤波模块变为直流电，主回路拓扑为boost 型电路，整流滤波后的直流电通过boost 电路，再经过滤波后输出稳定的直流电。输出的电压通过反馈回路到PWM 控制芯片，控制boost 开关电源中开关管的关断，从而通过控制开关的占空比来实现稳压的作用。在输出端串联一个小型采样电阻，当采样电流超过规定值，则切断电路。开关电源原理图如图1所示。

图1 开关电源总体设计框图Fig.1 Overall design block diagram of switching power supply

2 开关电源电路设计

2.1 整流滤波电路设计

交流电通过桥式整流电路，再经过L1、L2、C1组成的滤波电路，变为约30 V 的直流电，整流滤波电路如图2。在实际电路中，L1、L2绕制在一个磁芯上，构成共模电感，抑制共模干扰。市电中混合了各种高频成分，他们会产生大量电磁干扰（EMI），影响设备的正常工作。共模电感既可以抑制外部的EMI 信号传入，又可以衰减线路自身工作时产生的EMI 信号，能有效地降低EMI 干扰强度[2]。

图2 整流滤波电路Fig.2 Rectifier filter circuit

2.2 boost 型开关电源电路设计

为了实现30～100 V 的电压输出，需要对经过变压器降压和整流滤波后的30 V 直流电进行升压，因此主回路的拓扑为boost 型升压电路，boost 型升压电路是一种常见的开关直流升压电路，它通过开关管导通和关断来控制电感储存和释放能量，从而使输出电压比输入电压高[3]。如图3所示，1 端口连接经过变压和整流滤波后约为30 V 的直流电，2 端口连接PWM 控制电路的输出。其工作原理为

当开关导通时，电感L1两端的电压为UON=UIN，L1上的电流如式（1）所示：

在t=TON时达到最大值。当开关关闭时，电感L1两端电压为UOFF=UO-UIN，L1上电流如式（2）所示：

当t=TOFF时达到最小值。在稳定状态下，UONTON=UOFFTOFF，则占空比D 可计算为式（3）：

即输出电压为式（4）所示：

因为占空比0＜D＜1，所以输出电压大于输入电压。

在开关电路中，因为开关管的频繁开断，会引起很多尖刺的产生，图中的二极管D1可以使开关管快速关断，R3、C2串联形成的RC 吸收电路，能起到很好的吸收尖刺的作用。由L2、C3、C4组成的滤波电路能对开关电源的纹波起到一定的滤除作用。

图3 boost 型开关电源电路Fig.3 Boost switching power supply circuit

2.3 PWM 控制电路设计

本设计采用的PWM 控制芯片为UC3843。UC3843是一种性能优良的固定频率电流控制型PWM 控制芯片，该调制器单端输出，能直接驱动双极型功率管（BJT）或MOS 管。它具有外部控制电路简单、价格低、管脚少、性能好等优点，内部包含误差放大器、PWM 比较器、PWM 锁存器、振荡器、内部基准电源和欠压锁定等单元，其结构如图4所示[4]。

UC3843 采用DIP-8 封装，其主要引脚功能如下：1 脚COMP 为内部误差放大器的输出端，一般在1 脚和2 脚之间外接RC 网络来改善误差放大器的闭环增益和频率响应；2 脚VFB 是反馈电压输入端，接在误差放大器反相端，与同相端2．5 V 基准电压比较；3 脚CS 是电流检测输入端，当取样电压超过1 V 时停止输出脉冲；4 脚RT/CT是定时端，振荡器频率由外接电阻RT和外接电容CT决定，计算公式为f=1．72/（RT·CT）；6 脚OUTPUT 是输出端，驱动能力是±1 A。根据上述UC3843 各引脚功能，其外部电路设计如图5所示[5]。

图4 UC3843 内部结构Fig.4 UC3843 internal structure

图5 UC3843 外围电路Fig.5 UC3843 peripheral circuit

2.4 过流保护电路设计

当电流超过电路额定电流大小时称为过流，过流会使得器件过热烧坏，严重时会引起火灾，因此设计过流保护电路是十分有必要的。本设计中过流保护是通过UC3843 的电流检测输入端（3 脚CS）实现的，在输出端VO-和地之间串联一个0．01 Ω 的采样电阻，采样电阻上电压即为放大器的同相输入端电压，经过同相比例放大器20 倍输入到UC3843 电流检测输入端，当输入电压超过1 V 时停止输出脉冲，UC3843 停止工作。根据设计要求，输出功率为150 W，输出电压为30～100 V，则电路的最大输出电流为5 A，采样电阻上电压即为0．05 V，放大器的同相输入端电压为0．05 V，经过同相比例放大器20 倍放大变为1 V，即电流超过5 A 时UC3843 电流检测输入端电压超过1 V，从而实现过流保护功能。过流保护电路如图6所示，Isen 连接UC3843 的电流检测输入端（3 脚CS）。

图6 过流保护电路Fig.6 Overcurrent protection circuit

2.5 可调式输出电路设计

输出电压幅值的调节通过PWM 实现，根据式（4），输入电压UIN不变，当脉冲占空比D 改变时，输出电压UO随之改变。脉冲占空比D 通过负反馈调节，输出端电阻R1、R2，电位器adj1串联，其中R2作为反馈电阻，R2上的电压输入到UC3843 的反馈端VFB（2脚），与内部2．5 V 基准电压进行比较，当R2上电压大于2．5 V，脉冲占空比D 减小，输出电压减小，R2上电压减小，反之同理，因此R2上电压稳定在2．5 V。此时通过调节电位器的阻值就能调节电位器adj1和R1上电压的大小，因此可以实现对输出电压大小的调节。电路如图7。

图7 可调输出电路Fig.7 Adjustable output circuit

3 开关电源Multisim 仿真

通过Multisim 仿真验证开关电源的可行性。仿真中用信号发生器代替UC3843 以简化电路。简化后的仿真电路如图8所示。调节信号发生器的占空比，就可以控制输出电压在30～100 V 之间变化，证明此设计方案是可行的。图9 为Multisim 仿真结果。

图8 Multisim 仿真电路Fig.8 Multisim simulation circuit

图9 Multisim 仿真结果Fig.9 Multisim simulation result

4 开关电源调试结果

根据上述设计方案，制作了基于UC3843 的开关电源，其调试结果如表1所示。可实现输出电压30～100 V 无级调节，纹波峰峰值小于500 mV。

表1 开关电源调试结果Tab.1 Test results of switching power supply

5 结语

UC3843 是一种性能优良的固定频率电流控制型PWM 控制芯片，上述利用UC3843 设计的开关电源电路结构简单、体积较小，利用负反馈调节UC3843 输出脉冲的占空比使得输出电压稳定且幅值可调，具有过流保护的功能，使得电源安全性大大提升，电源还具有良好的纹波抑制效果。本文中设计的基于UC3843 的开关电源通过设计、仿真、制作和调试，得到了较理想的结果，符合设计的要求，具备一定的实际应用价值。