高頻控制節(jié)能型開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)與探究

陳金如，龔姝婷，楊慧清，龔火根

（江西農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學(xué)院 331200）

0 引言

隨著超大規(guī)模集成電路的高速發(fā)展和新型微電子半浮柵晶體管器件的出現(xiàn)，尤其是微處理器和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的開發(fā)利用，孕育了新一代電子開關(guān)電源產(chǎn)品；顯然，體積大而笨重的穩(wěn)壓電源已經(jīng)過時(shí)，取而代之的是小型化、重量輕、高效率和節(jié)能環(huán)保型隔離式開關(guān)電源。

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，在70年代，集成化的開關(guān)電源就已被廣泛地應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、彩色電視機(jī)、衛(wèi)星通信設(shè)備、精密儀表等電子設(shè)備。到了80年代，功率在50W以上就具有競(jìng)爭(zhēng)力了。隨著開關(guān)電源性能的改善，到80年代后期，電子設(shè)備的消耗功率在20W以上，就要考慮使用開關(guān)電源了。進(jìn)入21世紀(jì)，開關(guān)電源在繼續(xù)研究小型、輕便和高效率的開關(guān)電源中，又增添了我們不能回避的環(huán)境保護(hù)重大課題；開關(guān)電源除了必須研究高效和節(jié)能的技術(shù)以外，還必須研究電源組件回收再利用的課題。

1 高頻節(jié)能開關(guān)電源電路研究的目的及意義

1.1 研究的目的：隨著社會(huì)文明的進(jìn)步、我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類已經(jīng)進(jìn)入了電子工業(yè)化時(shí)代，并轉(zhuǎn)入高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的時(shí)期，電源是供電設(shè)備不可缺少的部件，是工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。本論文的目的就是在查閱以往開關(guān)電源相關(guān)資料的同時(shí)，掌握開關(guān)電源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相關(guān)原理，學(xué)習(xí)怎樣設(shè)計(jì)小功率開關(guān)電源的方法，為以后從事相關(guān)事業(yè)打下基礎(chǔ)，開闊視野，從而提高自身的能力。

1.2 研究的意義：高新技術(shù)均與電源的電壓、電流、頻率、相位和波形等基本技術(shù)參數(shù)的變換和控制相關(guān)，電源技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)這些參數(shù)的精確控制和高效處理，因此，電源技術(shù)不但本身是一種高新技術(shù)，而且還是其它多項(xiàng)高新技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)。電源技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展必將為大幅節(jié)能、降低耗材以及提高效率提供重要的手段，并為現(xiàn)代電子工業(yè)生產(chǎn)和現(xiàn)代生活帶來深遠(yuǎn)的影響。

2 新型高頻開關(guān)型電源的發(fā)展趨勢(shì)

新型高頻開關(guān)型電源的發(fā)展趨勢(shì)可以歸納以下幾點(diǎn)：

（1）小型化、輕量化、薄型化、高頻化、節(jié)能型是高頻開關(guān)型電源的主要發(fā)展趨勢(shì)。

（2）提高集成可靠性，增加保護(hù)功能，拓寬輸入電壓范圍，提高無故障時(shí)間。

（3）隨著頻率的提高，高頻開關(guān)型電源的噪聲隨之增大，降低噪聲提高環(huán)保也是高頻開關(guān)電源的研究方向。

（4）提高節(jié)能開關(guān)電源裝置和系統(tǒng)的電磁兼容性(EMC)。

（5）用軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)和控制，具有四高（高效、高精度、高經(jīng)濟(jì)性、高可靠性）優(yōu)點(diǎn)，可以使高頻開關(guān)型電源具有最佳電路結(jié)構(gòu)與最佳工作狀態(tài)。

電子開關(guān)電源高頻化的實(shí)現(xiàn)，與磁性元件和半導(dǎo)體功率器件的發(fā)展?fàn)顩r有著密切的關(guān)系。隔離式開關(guān)電源的核心是一種高頻電源變換電路。它使交流電源高效率地產(chǎn)生多路經(jīng)調(diào)整的穩(wěn)定直流電壓。

3 隔離式高頻開關(guān)電源

隔離式開關(guān)電源的變換器具有多種形式。主要分為半橋式、全橋式、推挽式、單端反激式、單端正激式等。

隔離式開關(guān)電源基本功能方框圖，RFI濾波器整流濾波高頻開關(guān)元件高頻變壓器輸出整流濾波PWM控制邏輯輔助電路(圖1）

隔離式開關(guān)電源的方框圖工作原理說明：在圖1中，交流電壓經(jīng)過整流、濾波電路變成含有一定脈動(dòng)電壓成分的直流電壓，然后進(jìn)入高頻變換部分。高頻變換部分的核心是有一個(gè)高頻功率開關(guān)組件，為了調(diào)節(jié)輸出電壓，使得在輸入交流和輸出負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓能保持穩(wěn)定，我們采用一個(gè)叫做脈沖寬度調(diào)制器(FWM)的電路，通過對(duì)輸出電壓采樣，并把采樣的結(jié)果反饋給控制電路，控制電路把它與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果來控制高頻開關(guān)組件的開關(guān)時(shí)間比例(占空比)，達(dá)到調(diào)整輸出電壓的目的。

4 高頻開關(guān)電源的總體設(shè)計(jì)

4.1 主電路的選擇

高頻開關(guān)型電源電路的組成，主要電路是由輸入電磁干擾濾波器、整流濾波電路、功率變換電路、PWM控制器電路、輸出電路等組成。輔助電路有輸入過欠壓保護(hù)電路、輸出過流保護(hù)電路、輸出過欠壓保護(hù)電路、輸出短路保護(hù)電路等。

本設(shè)計(jì)為小功率高頻節(jié)能型開關(guān)電源，選用單端反激式電路，而單端反激式功率范圍可以達(dá)到要求，因?yàn)榉醇な介_關(guān)電源中的變壓器起著電感和變壓器的雙重作用，反激式變換器只需要濾波電容的選擇，而不需要濾波電感的選擇，由于它是電感，在開關(guān)電源中必然具有電感的一般規(guī)律，在電路中具有電流連續(xù)，臨界連續(xù)和斷續(xù)三種工作模式，且電路結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜。

4.2 控制電路的選擇

選用集成芯片UC3842控制電路：采用電流模式脈寬調(diào)制控制器UC3842芯片，這個(gè)芯片可推挽或單端輸出，工作頻率可為1--500KHz，輸出電壓可達(dá)30V,內(nèi)設(shè)有5V的電壓基準(zhǔn)，死區(qū)時(shí)間可以調(diào)整，輸出的電流可達(dá)幾百至幾千mA，驅(qū)動(dòng)能力還是較強(qiáng)。UC3842芯片內(nèi)部有一個(gè)誤差比較器，一個(gè)振蕩器和一個(gè)電流比較器，一個(gè)鎖存器和邏輯控制單元，一個(gè)互補(bǔ)功率放大輸出單元，一個(gè)欠壓保護(hù)電路，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的參考5V電壓和其它一些輔助電路。電流比較器可用于過流保護(hù)，電壓比較器可設(shè)置為閉環(huán)控制，調(diào)整速度快，用UC3842芯片作為小功率開關(guān)電源的PWM的控制是很方便的它可以直接驅(qū)動(dòng)雙極管，MOSFET和IGBT具有管腳少（8只引腳），外圍電路比較簡(jiǎn)單、安裝和調(diào)試都比較方便、性能且優(yōu)良、價(jià)格也合理。

4.3 電路圖結(jié)構(gòu)及工作原理

4.3.1 高頻開關(guān)電源電路圖結(jié)構(gòu)

圖1 隔離式開關(guān)電源的方框圖

圖2 高頻開關(guān)電源電路圖

4.3.2 電路工作原理說明

圖2是由UC3842構(gòu)成的單端反激式開關(guān)電源電路，220V市電由C1、L1 濾除電磁干擾，負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻Rt1 限流，再經(jīng)VC 整流、C2 濾波，電阻R1、電位器RP1 降壓后加到UC3842 的供電端（⑦腳），為UC3842 提供啟動(dòng)電壓，電路啟動(dòng)后變壓器的付繞組③④的整流濾波電壓一方面為UC3842 提供正常工作電壓，另一方面經(jīng)R3、R4 分壓加到誤差放大器的反相輸入端②腳，為UC3842 提供負(fù)反饋 電壓，其規(guī)律是此腳電壓越高驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比越小，以此穩(wěn)定輸出電壓。④腳和⑧腳外接的R6、C8 決定了振蕩頻率，其振蕩頻率的最大值可達(dá)500KHz。R5、C6用于改善增益和頻率特性。⑥腳輸出的方波信號(hào)經(jīng)R7、R8 分壓后驅(qū)動(dòng)MOSFEF 功率管，變壓器原邊繞組①②的能量傳遞到付邊各繞組，經(jīng)整流濾波后輸出各數(shù)值不同的直流電壓供負(fù)載使用。電阻R10 用于電流檢測(cè)，經(jīng)R9、C9 濾濾后送入U(xiǎn)C3842的③腳形成電流反饋環(huán).所以由UC3842 構(gòu)成的電源是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，電壓穩(wěn)定度非常高，當(dāng)UC3842 的③腳電壓高于1V 時(shí)振蕩器停振，保護(hù)功率管不至于過流而損壞。

5 結(jié)論

本課題設(shè)計(jì)的任務(wù)是面向開關(guān)電源應(yīng)用的工程項(xiàng)目。通過對(duì)高頻節(jié)能控制開關(guān)電源電路的基本理論分析，設(shè)計(jì)出一種實(shí)用的新型開關(guān)電源，使得充電模塊的重量更輕、體積更小、效率和安全可靠性更高。經(jīng)過課題組將近一年的研究和反復(fù)實(shí)驗(yàn)，我們完成了高頻節(jié)能控制開關(guān)電源型電路系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)調(diào)試，主電路和控制電路的設(shè)計(jì)參數(shù)完全符合要求，這就為高頻控制開關(guān)電源電路的研制提供了一種切實(shí)可行的方案。

[1]侯振義.直流開關(guān)電源技術(shù)及應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社,2006.4

[2]華偉，周文定.現(xiàn)代電力電子器件及其應(yīng)用.北京：北方交通大學(xué)出版社、清華大學(xué)出版社,2002.178-134

[3]周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛華.現(xiàn)代開關(guān)電源控制電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用.北京：人民郵電出報(bào)社，2005.5