基于UC3842的电动车用开关电源设计

电动车是目前零排放的机动车，作为绿色交通工具，将在21世纪给人类社会带来巨大的变化。而直流无刷电机凭借着其优良的性能已经成为电动车电机领域的主流技术和发展方向。性能优良的无刷电机系统离不开性能优良的控制模块，而控制模块的性能在很大程度上取决于供电电源的性能，所以高质量的供电电源系统在整个电动车系统中占有相当重要的位置。

直流无刷电机的控制模块是采用微控制器的数字控制的电子系统。基于UC3842高性能电流模式PWM发生器控制的开关电源适合应用于此类系统。本设计通过小型高频变压器实现输出和输入的完全隔离，不仅提高了电源的效率，简化了外围电路，也降低了电源的成本和体积。电源输出电压稳定，波纹小，不间断，性能可靠。

1 单端反激式变换电路的基本结构

单端反激式变换的典型结构如图1。单端是指变压器的磁心仅工作在磁滞回线的一侧；反激是指当开关管导通时，在初级线圈中储存能量，而次级线圈不通；当开关管关闭的时候，初级线圈中的能量通过次级线圈释放给负载。这是一种成本低的调整器，可以做到输入输出部分的完全隔离，有较好的电压调整率。



2 UC3842芯片的性能特点

UC3842芯片是Unitrode公司的产品，是一种高性能的单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片。其原理框图如图2所示。



由5V基准电压源、控制占空比调定的振荡器、电流测定比较器、PWM 锁存器、高增益E/A误差放大器和适用于驱动功率MOSFET的大电流推挽输出电路等组成。其主要特点是：

·外接元件少，外围电路简单，价格便宜。 
·无需输入变压器，起动电流小(＜1 mA)。 
·具有精密的电压基准源(±1%)。 
·大电流(1A)PWM 输出级，可直接驱动功率MOS管。 
·有欠电压封锁和过电流保护功能。 
·工作频率可达500 kHz。 

UC3842芯片能同时满足较好的电气性能和较低的成本，因而被广泛地用于20～50 W 的小功率开关电源。图中8脚是其内部基准电压(5 V)；7脚是其电源端，芯片工作的开启电压为16V，欠压锁定电压为10 V；4脚接振荡电路，产生所需频率的锯齿波，RT接在4、8脚之间，CT接在4脚和地之间。1和2脚为补偿端和内部电压比较器的反相输入端；从3脚引入的电流反馈信号与1脚的电压误差信号比较，产生一个PWM(脉宽调制)波，从6脚(输出端)输出该信号，控制功率器件的通断。3脚为电流检测输入端。由于电流比较器输入端设置了1 V的电流钳位，当电流过大而使电流检测电阻R13(如图3所示)。上的电压超过1 V(即3脚电平大于1 V)时，将关断PWM脉冲，从而达到限流保护的目的。

3 开关电源的电路设计

本文以UC3842为核心控制部件，设计了DC48 V输入、DC12 V输出的单端反激式开关稳压电源。开关电源控制电路是一个电压、电流双闭环控制系统。变换器的幅频特性由双极点变成单极点，因此增益带宽乘积得到了提高，稳定幅度大，具有良好的频率响应特性。

主要的功能模块包括：启动电路、反馈电路、保护电路、整流电路。以下对各个模块的原理和功能进行分析。开关电源电路原理图见图3。




3.1 启动电路

如图3，电源通过启动电阻R，给电容E2充电，当E2电压达到UC3842的启动电压门槛值时，UC3842开始工作并提供驱动脉冲，由6端输出推动开关管工作。随着UC3842的启动，R3的工作也就基本结束，余下的任务交给反馈绕组，由反馈绕组产生电压来为UC3842供电。由于48 V 的输入电压，超过了UC3842的工作电压，为了避免意外，用D3稳压管限定UC3842的输入电压。否则，将出现UC3842被损坏的情况。

3.2 过流、短路保护电路

如图3，当负载电流超过额定值时，场效应电流增加，R13上的电压反馈至CSEN(3脚)，通过内部电流检测比较器输出复位信号，最后导致开关管关闭。只有在下一个基准脉冲到来时，才可能重新开启开关管，而不可能出现开关管电流在恒流值左右振荡的情况。

当出现输出短路时，输出电压会下降，同时为UC3842供电的反馈绕组也会出现输出电压下降。当输入电压低于10 V时，UC3842停止工作，没有触发脉冲输出，使场效应管截止。短路现象消失后，电源重新启动，自动恢复正常工作。这就是俗称的电路“打嗝”现象。

3.3 精密反馈电路

当开关管导通时，整流电压加在变压器初级绕组上的电能变成磁能储存在变压器中，开关管截止后，能量通过次级绕组释放到负载上。由公式：

Uo=(Ton/(nToff))E

可以得出，输出电压和开关管的导通时间及输入电压成正比；与初，次级绕组的匝数比及开关管的截止时间成反比。

反馈电路采用精密稳压器TL431和线性光耦PC817。利用TL431可调式精密稳压器构成误差电压放大器，再通过线性光耦对输出进行精确的调整。

如图3，输出电压经R11，R12分压后得到的取样电压，与TL431中的2.5 V带隙基准电压进行比较。当输出电压出现正误差，取样电压＞2.5 V，TL431的稳压值降低，光耦U2控制端电流增大，UC3842的反馈端(VFB)电压值增大，输出端的脉冲信号占空比降低，开关管的导通时间减少，输出电压降低；反之，如果输出电压出现负误差，UC3842的输出脉冲占空比增大，输出电压增高，达到稳压目的。同时，整个电源系统的输入、输出被隔离，UC23842受到的干扰减少。
在对电压精度要求高的场合，会把电压反馈信号从补偿端(CMOP)输入，不用UC3842的内部放大器，因此反馈信号的传输缩短了一个放大器的传输时间，使电源的动态响应更快。

3.4 整流滤波电路

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。开关电源输出端中对波纹幅值的影响主要有以下几个方面：
                                

•    
• 输入电源的噪声，是指输入电源中所包含的交流成分。解决的方案是在电源输入端加电容E1，以滤除此噪声干扰。
• 高频信号噪声，开关电源中对直流输入进行高频的斩波，然后通过高频的变压器进行传输，在这个过程中，必然会掺人高频的噪声干扰。还有功率管器件在开关的过程中引起的高频噪声。对于这类高频噪声的解决方案是在输出端采用π型滤波的方式。滤波电感采用150 uH的电感，可滤除高频噪声。
• 采用肖特基二极管D2整流。基于它低压，功耗低，大电流的特点，有利于提高电源的效率，其反向恢复时间短，有利于减少高频噪声。
• 为了减少共模噪声，在输出地和输入地之间接电容 。

3.5 导通时序

如图4所示，在负载不同的时候，其时序电路是不一样的。在满载时绝大多数始终周期是导通的，也就是导通的频率高，中等负载会跳过一部分始终周期，而轻载时要跳过大部分的始终电路，只有少数始终周期是导通的，这样导通周期的频率是很低的。图中，Uo是输出电压，CLK是UC3842的基准脉冲，D是UC3842的输出脉冲，Id是流过开关管的电流，Ud是变压器初级绕组下端(开关管MOSFET漏级)的电压。



4 实验结果

为了检验该开关电源的性能，笔者按上述应用电路进行了测试，得到开关电源的输出波形图以及不同输人电压和不同负载时的输出电压如图5所示。



表1为输入电压在30"48 V波动时，输出电压的波动情况。表2是负载电流在10"500 mA变化时，输出电压的波动情况。



5 结论

UC3842是一种高性能的固定频率电流型控制器，单端输出，可直接驱动晶体管和MOSFET，具有管脚数量少、外围电路简单、安装与调试简便、性能优良、价格低廉等优点。本设计中充分使用了UC3842的控制功能，实现了对输出电压的负反馈调节以及各种保护机制。这种开关电源结构简单，性能稳定，实现了对电动车无刷电机控制模块的供电，对提高电动车整体性能大有益处。