基于UC3842芯片的医用开关电源设计方案

一、引言

在现代医疗设备中，开关电源作为供电系统的核心部件，其性能直接影响整个医疗设备的可靠性和稳定性。因此，设计一款高性能、稳定可靠的医用开关电源显得尤为重要。本文将详细介绍一种基于UC3842芯片的医用开关电源设计方案，从主控芯片的选型、作用到具体的设计步骤，进行全面的阐述。

二、主控芯片UC3842介绍

2.1 芯片型号及特点

UC3842是美国UNIRODE公司生产的一种高性能电流控制型脉宽调制芯片，该芯片具有引脚少（8脚）、外接元件少、接线简单、可靠性高、成本低等优点。UC3842采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式，能直接驱动双极型功率管或场效应管，适用于无工频变压器的20~80W小功率开关电源的设计。

UC3842的主要特点包括：

• 引脚少，外围电路简单：UC3842仅有8个引脚，外接元件少，简化了电路设计。

• 高性能电流模式PWM控制器：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。

• 工作频率高：工作频率可达500kHz，提高了电源的动态响应速度。

• 保护功能完善：具有过流保护、欠压锁定等功能，提高了电源的可靠性。

UC3842的引脚功能如下：

• 1脚：误差放大器的输出端，外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性。

• 2脚：反馈电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的2.5V基准电压进行比较，产生误差电压，从而控制脉冲宽度。

• 3脚：电流检测输入端，当检测电压超过1V时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态。

• 4脚：定时端，内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定。

• 5脚：公共地端。

• 6脚：推挽输出端，内部为图腾柱式，上升、下降时间仅为50ns，驱动能力为±1A。

• 7脚：直流电源供电端，具有欠、过压锁定功能，芯片功耗为15mW。

• 8脚：5V基准电压输出端，有50mA的负载能力。

2.2 代换型号

UC3842的代换型号主要有德州仪器（Texas Instruments）生产的UC3842NG4、UC3842ANG4和UC3842J等。这些代换型号在功能上与原型号兼容，可以替换使用。

三、医用开关电源设计方案

3.1 设计目标

本设计旨在实现一款适用于医疗设备的开关电源，具体要求如下：

• 输入电压范围：90~264Vac。

• 输出电压：12V直流。

• 输出功率：20~80W。

• 具有瞬态响应快、电磁兼容好、输出电压精度高等优点。

3.2 设计原理

本设计采用单端反激式结构，利用UC3842作为主控芯片，实现宽电压输入、稳定的直流输出。单端反激式变换器的典型结构如图1所示。

图1 单端反激式变换器典型结构

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；当开关管关闭时，初级线圈中的能量通过次级线圈释放给负载。这种结构具有成本低、输入输出部分完全隔离、电压调整率好等优点。

3.3 具体设计步骤

3.3.1 输入电路设计

输入电路包括整流电路、EMI滤波电路及暂态保护电路。整流电路将输入交流电变为直流电，通常采用电容输入型整流电路。EMI滤波电路用于滤除输入电源中的电磁干扰，保护后续电路不受干扰。暂态保护电路用于防止输入电压突变对电路造成损坏。

3.3.2 功率变换电路设计

功率变换电路是开关电源的核心部分，负责将输入直流电转换为所需输出电压的直流电。本设计采用单端反激式结构，利用UC3842控制开关管的通断，实现电压的变换。

3.3.3 输出电路设计

输出电路包括输出整流滤波电路和输出保护电路。输出整流滤波电路用于将变换后的交流电转换为稳定的直流电，并滤除高频噪声。输出保护电路用于防止输出电流过大或短路对电路造成损坏。

3.3.4 控制电路设计

控制电路是开关电源的大脑，负责监测输入电压、输出电压和电流等参数，并根据这些参数调整开关管的通断，以实现稳定的输出电压。本设计利用UC3842的PWM功能，通过反馈电路实现电压和电流的闭环控制。

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。输出电压经分压后得到的取样电压与TL431中的2.5V基准电压进行比较，通过光耦控制UC3842的反馈端电压，从而调整输出脉冲信号的占空比，实现稳定的输出电压。

3.3.5 变压器设计

变压器是开关电源中的关键元件，负责实现输入与输出的电气隔离和电压变换。本设计采用面积相乘法设计变压器，根据输入电压、输出电压、功率等参数计算变压器的铁芯面积、窗口面积和绕组匝数等参数。

变压器铁芯设计采用铁氧体磁芯，磁感应强度取65%的饱和值，变压器效率取80%。根据面积相乘法公式，计算得到有效铁芯面积Ag和窗口面积Aw。然后，根据输入电压、输出电压和电流密度等参数，计算原边和副边绕组的匝数。

3.3.6 保护电路设计

保护电路包括过流保护、过压保护、欠压保护和短路保护等。过流保护通过检测电流检测电阻上的电压实现，当电流过大时，关断PWM脉冲，保护电路不受损坏。过压保护和欠压保护通过监测输入电压实现，当输入电压过高或过低时，停止开关管的工作，保护电路不受损坏。短路保护通过监测输出电压实现，当输出电压下降时，关闭开关管，防止短路电流对电路造成损坏。

四、实验与测试

在实验阶段，通过搭建实际电路，对开关电源的各项性能指标进行测试。测试内容包括输入电压范围、输出电压稳定性、输出电流范围、效率、电磁兼容性等。测试结果表明，该开关电源设计合理，工作可靠，输出电压稳定，纹波小，具有较高的性价比和实际应用价值。

五、结论

本文基于UC3842高性能电流模式PWM发生器控制的开关电源，提出了一种适用于医疗设备的开关电源设计方案。该方案采用单端反激式结构，实现了宽电压输入、稳定的直流输出，具有输入纹波小、输出稳定、体积小、质量轻、效率高、电磁兼容好等优点。通过实际测试和验证，该开关电源设计合理，工作可靠，具有较高的性价比和广阔的应用前景。