基于反激式開關電源電路實現(xiàn)與測試分析

東北石油大學電子科學學院 覃木春 姜曉嵐 韋 鵬 李大偉

1.引言

隨著科學技術的發(fā)展，通信、消費電子類產(chǎn)品等對開關電源的需求迅猛增加，并且對電源的效率、體積、重量及可靠性等方面提出了更高的要求[1]。開關電源以其效率高、體積小、重量輕等優(yōu)勢在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的線性電源。電力電子技術的發(fā)展，特別是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速發(fā)展，將開關電源的工作頻率提高到相當高的水平，使其具有高穩(wěn)定性和高性價比等特性[2-3]。本文設計了單端反激式開關電源，滿足信息技術的發(fā)展對電源技術又提出了更高的要求，從而促進了開關電源技術的發(fā)展。

2.開關電源電路的實現(xiàn)

2.1 輸入濾波整流電路

圖1為輸入濾波整流電路。輸入的220V交流電，經(jīng)過由C1、C2、CX1、LF1、CY1、CY2組成的濾波器濾波后，再經(jīng)過BD1，將交流電壓整流為直流高壓，通過C3、C4的濾波后，再給后級電路提供電能。R1的作用是泄放電阻，因為CX1的容量在0.22uF以上，安規(guī)規(guī)定需要加上一個泄放電阻[4]。

圖1 輸入濾波整流電路

2.2 PWM驅動及控制電路

圖2為PWM驅動及控制電路。直流高壓通過電阻R2給UC3842提供工作電壓，該工作電壓接入UC3842的管腳7，UC3842開始工作，由管腳6輸出的矩形波來驅動開關管，管腳6輸出的信號為高低電壓脈沖信號。在輸出信號的高電平期間，場效應管能夠導通，電流流過變壓器的原邊繞組，同時在變壓器的原邊繞組中儲存能量。根據(jù)變壓器同名端的標識情況，這個變壓器的副邊繞組和輔助反饋繞組均沒有輸出。當管腳6輸出的信號為低電平時，場效應管處于截止狀態(tài)[5]。由楞次定律可得，為了確保電流不變，變壓器的原邊繞組產(chǎn)生了下正上負的感應電動勢，此時副邊繞組的二極管導通，向負載提供能量。同時輔助反饋繞組向UC3842的管腳7供電。UC3842的內部設有欠壓限制鎖定電路，其開啟和關閉閾值電壓分別為16V和10V，當電源電壓接通之后，一旦管腳7的電壓升至16V時，UC3842遍開始工作，啟動正常工作后，它的消耗電流大致為15mA。

圖2 PWM驅動及控制電路

圖3 輸出反饋電路

2.3 輸出反饋電路

圖3所示為該開關電源的輸出反饋電路。當開關管Q1導通時，整流后的直流高壓在變壓器的原邊繞組中儲存能量，與變壓器副邊繞組相連的二極管D3處于反偏壓狀態(tài)，故D3截止，在變壓器副邊繞組無電流流過，即能量沒有傳遞給負載，直流高壓將電能轉換成磁能儲存在變壓器的原邊繞組中。當開關管Q1截止時，變壓器的副邊繞組中的電壓極性反轉，使D3處于導通狀態(tài)，給輸出電容C13充電，同時負載上也有電流流過。圖3中，變壓器副邊繞組的交流電壓蔣經(jīng)國二極管D3整流、C13、C14、L1、C15整流后得到穩(wěn)定直流電壓，給負載提供能量[6]。D3為肖特基整流二極管，因為肖特基二極管的正向壓降為普通PN二極管的0.3～0.5倍，并且其反向恢復時間trr甚小。R11和C12為削尖峰電壓電路，C14、L1、C15為π型濾波器，D4的作用是能夠使該開關電源和其他開關電源串聯(lián)使用，R12是假負載，能夠使開關電源得到穩(wěn)定的輸出電壓。反饋電路采用精密穩(wěn)壓器TL431和線性光耦。利用TL431可調式精密穩(wěn)壓器構成誤差電壓放大器，再通過線性光耦對輸出進行精確的調整。

3.系統(tǒng)測試

由于效率和紋波電壓是開關電源的主要衡量指標，所以測試時主要對這兩個參數(shù)進行測試。

3.1 測試開關電源效率

在開關電源效率的測試中，需要使用一個電子負載和4個數(shù)字萬用表。其中，兩個萬用表用來測量電壓，另外兩個萬用表用來測量電流，在使用萬用表進行測量的時候，需要根據(jù)要測量的電壓和電流值的大小，將萬用表設置在合適的量程內，以減小誤差。

3.2 測試輸出紋波電壓

為了使測出的數(shù)據(jù)盡可能準確，避免示波器的探頭與地線形成一個環(huán)路，測試紋波電壓時，在示波器的探頭上需要并聯(lián)一個10uF的電解電容和0.1uF的無極性電容或者使用接地環(huán)，從而保證探頭的接地盡可能的短，保證探頭的接地線長度小于1cm。

4.測試結果及數(shù)據(jù)分析

按照上述的測試方法對開關電源的效率和開關電源的輸出紋波電壓進行測試，對該設計的開關電源進行數(shù)據(jù)測試，測試得到的數(shù)據(jù)及根據(jù)測試的到的數(shù)據(jù)進行的分析如表1所示。

表1 最差情況下的輸入功率、輸出功率與效率

表2 各種電壓條件下，滿載輸出時的紋波電壓值

用數(shù)字示波器測試輸出紋波電壓的數(shù)據(jù)如表2所示。

將負載上的功率調整為設計的標稱功率的一半以上時，通過數(shù)字萬用表對輸入直流總線電壓、直流總線電流、輸出電壓、輸出電流的測試，粗略估計一下其余的損耗，整個開關電源的效率為81.19%。

5.結論

本文設計了由UC3842組成隔離單端反激式PWM開關電源，對其中的原理進行分析。UC3842是一種電流控制型脈寬調制器，可以直接驅動MOSFET和IGBT，特別適合于制作20～80W的小功率開關電源。從測試數(shù)據(jù)可以看出設計的電路效率和穩(wěn)定性較高。

[1]張占松,蔡薛三.開關電源的原理與設計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001.

[2]何希才.新型開關電源設計與應用[M].北京:科學出版社,2001.

[3]徐德鴻等譯.開關電源設計指南[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

[4]王志強等譯.精通開關電源設計[M].北京:人民郵電出版社,2008.

[5]王水平等.開關穩(wěn)壓電源——原理、設計與實用電路[M].西安:西安電子科技大學出版社,1997.

[6]高曾輝,于相旭.單端反激式開關電源的穩(wěn)定性分析[J].重慶大學學報,2001.