一種實(shí)用新型反激式開關(guān)電源

孟天星，張厚升

（山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東淄博255049）

1 引言

在變頻器、光伏系統(tǒng)等各種精密的電子系統(tǒng)、電器或儀表中，都廣泛采用小功率開關(guān)電源。高頻開關(guān)電源具有效率高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了越來越廣泛的應(yīng)用［1-4］。鑒于反激式變換器具有的特點(diǎn)，如：電路簡(jiǎn)單，輸入和輸出可以電氣隔離，能高效地提供多路直流輸出，輸入電壓范圍較寬，因此反激式變換器廣泛地應(yīng)用于中小功率場(chǎng)合［5］。

單端反激式變換器的工作模式有兩種：即電流斷續(xù)模式和電流連續(xù)模式［6-7］。后者比較適合于較小功率；前者的MOSFET開關(guān)管的峰值電流相對(duì)較小，但副邊的二極管存在反向恢復(fù)的問題，需要給它設(shè)計(jì)相應(yīng)的吸收電路。這兩種模式可以按照實(shí)際需求來進(jìn)行選擇。

本文以單端反激式變換器為主電路，采用UC3844設(shè)計(jì)了一種實(shí)用、新型的7路輸出隔離式開關(guān)電源，并詳細(xì)介紹了新型變壓器的設(shè)計(jì)方法以及UC3844的外圍電路設(shè)計(jì)。

2 設(shè)計(jì)指標(biāo)

所設(shè)計(jì)的實(shí)用、新型反激式電源可以應(yīng)用于多種系統(tǒng)中，可以為芯片、光耦、繼電器等提供工作電源，主要技術(shù)指標(biāo)為：輸入電壓AC 90～250 V（額定工作時(shí)為220 V）；輸出容量57 W；輸出指標(biāo)20 V/0.5 A（2 路），15 V/0.5 A（2路），12 V/0.5 A，5 V/1 A（2 路），7 路相互隔離；工作頻率40 kHz；拓?fù)漕愋蜑閱味朔醇な阶儞Q器；效率80%以上。

3 設(shè)計(jì)方案

基于UC3844 所設(shè)計(jì)的7 路隔離輸出反激式開關(guān)電源如圖1 所示，圖1 中僅給出了2 路20 V輸出、1 路5 V 輸出的示意圖，其余幾路輸出的結(jié)構(gòu)與此完全相同，在圖1 中用78XX 和XXV 進(jìn)行了簡(jiǎn)單示意，控制芯片UC3844 的內(nèi)部框圖結(jié)構(gòu)如圖2所示，主電路為單端反激式變換器，單相交流輸入電壓經(jīng)EMI 濾波器、橋式整流、濾波后供給主電路直流電，同時(shí)，通過電阻的分壓為控制芯片UC3844 提供開機(jī)初始工作電源，系統(tǒng)啟動(dòng)以后，由副邊其中的一個(gè)反饋繞組為UC3844 持續(xù)供電，原供電電路斷開，反激式變換器中的開關(guān)管采用MOSFET，MOSFET 在UC3844 輸出的PWM 脈沖驅(qū)動(dòng)下，將能量由直流側(cè)傳遞到輸出側(cè)［8］。為了吸收變壓器的漏感能量，采用并設(shè)計(jì)了一種使用齊納鉗位管的新型變壓器吸收回路，同時(shí)為了使系統(tǒng)具有較高的功率因數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)采用了電壓閉環(huán)控制策略，變壓器的副邊和原邊通過光耦隔離，并采用TL431 進(jìn)行電壓的采樣，進(jìn)而可以控制MOSFET的占空比，以滿足反激式變換器的各性能指標(biāo)要求。

圖1 基于UC3844的7路隔離輸出反激式開關(guān)電源原理圖Fig.1 Flyback switching power supply schematic based on UC3844

圖2 UC3844內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Internal structure diagram of UC3844

4 反激式變壓器與其吸收電路的設(shè)計(jì)

可以說反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，最重要的就是反激式變壓器的設(shè)計(jì)［9-11］，變壓器及其吸收回路的設(shè)計(jì)采用一種新型齊納管鉗位方式，其設(shè)計(jì)過程如下。

4.1 確定VOR與VZ

當(dāng)輸入最大250 V 電壓時(shí)，加在反激式變換器上的電壓為

在此選用耐壓值為600 V 的MOSFET 作為開關(guān)管，由于要在輸入最大電壓VINmax處至少保留30 V 的裕量，所以，漏極電壓（即輸入電壓VIN和齊納管鉗位電壓VZ之和）不能超過570 V，因而有：

由此可知：需要選擇的齊納穩(wěn)壓二極管為180 V，進(jìn)而變壓器二次側(cè)端電壓VOR可以得到：

4.2 計(jì)算繞組匝比

首先計(jì)算5 V/1 A 這一輸出支路的繞組匝比，考慮二極管的0.7 V正向壓降，0.6 V的繞組壓降以及后級(jí)大約1 V 的調(diào)整器壓降，可知變壓器需提供高于輸出電壓約3～5 V 的電壓值，以保證相應(yīng)裕量。由此可以計(jì)算出匝比：

4.3 計(jì)算實(shí)際工作占空比

假定將57 W 的輸出功率全部都輸出在一個(gè)相對(duì)等效的5 V單輸出支路上，由此不難得到5 V輸出支路的負(fù)載電流為

則

設(shè)低輸入電壓時(shí)，系統(tǒng)的效率為70%，根據(jù)輸入功率

可以得到系統(tǒng)的平均輸入電流：

因而可以得到實(shí)際工作的占空比：

4.4 計(jì)算反激式變壓器的一次繞組電感值

計(jì)算二次電流的斜坡中心值為

然后計(jì)算一次電流的斜坡中心值為

進(jìn)而可以求出峰值電流，在此選取電流紋波率r=0.5時(shí)為

依據(jù)此值就可以設(shè)定系統(tǒng)的最大電流值。

假定輸入為最低輸入電壓VINmax時(shí)，在MOSFET 導(dǎo)通的時(shí)間內(nèi)加在反激式一次側(cè)電感兩端上的電壓為VON=VIN=127 V，導(dǎo)通時(shí)間為

因此系統(tǒng)的伏秒數(shù)可以記為

依據(jù)“L×I”規(guī)則，得到一次電感值為

4.5 選擇反激式變壓器磁芯

目前常見的磁芯，在材質(zhì)、外形雖然十分相似，但其磁性能卻有極大的差異，設(shè)計(jì)時(shí)我們需要系統(tǒng)、綜合地考慮所設(shè)計(jì)的反激式電源的輸出功率、開關(guān)頻率等因素來選擇合適的磁芯。

設(shè)計(jì)反激式變壓器（電感）與特制的或者成品的電感有所不同，需要在設(shè)計(jì)過程中增加氣隙，以此提高磁芯的能量?jī)?chǔ)備能力。如果反激式變壓器不開氣隙，磁芯一旦存儲(chǔ)很少的能量就將會(huì)達(dá)到飽和。但是如果將氣隙開得太大，勢(shì)必會(huì)引起匝數(shù)的增加，由此會(huì)產(chǎn)生較大的繞組銅損，而且還會(huì)使繞組所占據(jù)的窗口面積增大，因此需要這種計(jì)算與選擇，一般可以采用下述的體積公式：

式中，需要注意的是在計(jì)算時(shí)，f 的單位選kHz。進(jìn)而就可以開始選擇這個(gè)體積（或更大）的磁芯了，在本設(shè)計(jì)中，選擇EE36/22 型磁芯，它的等效長(zhǎng)度為le=7.74 cm，磁芯面積為Ae=1.39 cm2，其體積滿足設(shè)計(jì)要求。

4.6 確定各個(gè)繞組的匝數(shù)

利用適合于所有拓?fù)涞脑褦?shù)求解公式：

式中：BPK為磁通密度的變化，一般情況下BPK≤0.3T。

那么一次繞組匝數(shù)可以求得：

匝數(shù)在此取整為117 匝。

5 V輸出支路的繞組匝數(shù)：

對(duì)匝數(shù)取整，取為8 匝，則每一匝繞組上承擔(dān)的電壓值為Vn=8/8=1 V。于是可以求得12 V 輸出支路的繞組匝數(shù)為

同理可以求得20 V支路的繞組匝數(shù)為23 匝，15 V支路的繞組匝數(shù)為18 匝。

4.7 確定變壓器氣隙大小

確定變壓器氣隙大小時(shí)須要考慮到所用材料的磁導(dǎo)率，磁導(dǎo)率和電感值LP滿足：

其中

式中，z為氣隙系數(shù)，注意z的取值不能小于1（無氣隙），z的較好取值在10～20之間，這是一個(gè)比較好的折中。

由此不難求得氣隙的長(zhǎng)度：lg=0.28 mm。

4.8 反激式變壓器的繞制

變壓器在繞制時(shí)要注意耦合的緊密，以便最大程度地減小漏感。設(shè)計(jì)時(shí)可以采用三明治繞法。在絕緣方面設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮，線圈的絕緣一定要選用抗電強(qiáng)度較高、介質(zhì)損耗較低的復(fù)合纖維絕緣紙，從而可以提高次級(jí)繞組、初級(jí)繞組之間的絕緣強(qiáng)度以及抗電暈?zāi)芰?。為了保證變壓器的絕緣要求，在變壓器絕緣設(shè)計(jì)時(shí)采用整體灌注的方法。

5 基于UC3844的控制電路設(shè)計(jì)

5.1 控制芯片UC3844的外圍引腳電路的設(shè)計(jì)

引腳7（VCC）是UC3844 的 供 電 電 源 端，UC3844 工作的開啟電壓一般為16 V，在欠壓鎖定門限電壓下限為10 V，上限工作電壓為34 V，設(shè)計(jì)中設(shè)定20 V 給UC3844供電，并用一個(gè)20 V的穩(wěn)壓二極管進(jìn)行穩(wěn)壓，為了濾波，并聯(lián)1 只10 μF/50 V 的鋁電解電容器，開始時(shí)UC3844 由此支路供電，系統(tǒng)正常工作后由副邊的反饋繞組供電，反饋繞組的參數(shù)計(jì)算同其他支路一樣設(shè)計(jì)。為防止輸出側(cè)較高電壓倒灌使穩(wěn)壓二極管燒壞，在反饋繞組和穩(wěn)壓管處串接了二極管。

引腳3 為Isense 端（即電流檢測(cè)比較器的輸入端），該引腳接電壓或者電流的檢測(cè)信號(hào)，也可以把閉環(huán)調(diào)節(jié)器的給定信號(hào)接入該引腳，本文設(shè)計(jì)的電源就是采用這種接法，而后和前級(jí)誤差放大器的輸出（反相端）進(jìn)行比較，比較結(jié)果作為脈寬調(diào)制的一路輸入信號(hào)。

引腳4（RT/CT）外接振蕩器產(chǎn)生電路，產(chǎn)生UC3844 工作所需的頻率，所設(shè)計(jì)的電源開關(guān)頻率為40 kHz，可以根據(jù)公式f=1.8/CTRT選取電阻與電容，為了產(chǎn)生Isense 端（引腳3）的給定信號(hào)，在此將CT設(shè)計(jì)成2 個(gè)電容CT1與CT2的串聯(lián)形式。使CT2上能產(chǎn)生0～1 V 的鋸齒波，以便滿足引腳3的要求。由于UC3844屬于峰值電流控制行的芯片，經(jīng)過這樣的改進(jìn)與設(shè)計(jì)以后，可以使系統(tǒng)具有更高的功率因數(shù)。

引腳6（OUT端）產(chǎn)生的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)20 Ω的限流電阻后接MOSFET，并用一個(gè)15 V 的穩(wěn)壓管進(jìn)行鉗位。引腳8（Vref）為內(nèi)部參考輸出，可以為光耦提供一個(gè)5 V 的偏壓，引腳1（COM 端）和引腳2（VFB）分別為UC3844內(nèi)部誤差放大器的輸出端、反相輸入端，構(gòu)成電壓外環(huán)的調(diào)節(jié)器。

5.2 電壓反饋環(huán)路的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中采用TL431對(duì)誤差電壓進(jìn)行反饋，同時(shí)將誤差電壓放大，驅(qū)動(dòng)PC817（線性光耦），PC817得到的反饋電壓輸入到芯片的內(nèi)置誤差放大器（即引腳1 和引腳2），從而可以即時(shí)調(diào)整MOSFET的開通與關(guān)斷。

TL431的陽極和參考端接穩(wěn)定的2.5 V電壓，如果輸出電壓突然增大，經(jīng)電阻分壓后得到的電壓采樣值就會(huì)超過2.5 V，流過TL431的電流也就會(huì)相應(yīng)增大，它的陰極電壓也就會(huì)下降，光耦PC817的原邊二極管就會(huì)發(fā)光，從而傳遞到副邊，使得MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間減少，就可以使得輸出電壓降低，達(dá)到閉環(huán)控制的效果。

另外，并接在TL431兩端的電容可以有效地減小誤差放大器的高頻增益，在LED 兩端并接1個(gè)1 kΩ的電阻可以保證LED 在導(dǎo)通時(shí)電流能夠從0開始逐漸的增加。

6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)前述的分析與設(shè)計(jì)，研制了1 臺(tái)試驗(yàn)樣機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行了性能測(cè)試，圖3 給出了采樣電阻上的電壓波形和MOSFET 漏源極間的電壓波形，從圖3 中可以看出電路工作于斷續(xù)模式，圖4 給出了采樣電阻上的電壓波形和驅(qū)動(dòng)脈沖的波形，從圖4 中可以看出，占空比基本維持在0.2左右，幅值20 V。分別對(duì)各路輸出進(jìn)行測(cè)試，各路紋波電壓基本都小于±0.5%，系統(tǒng)效率約為84%，可以在寬電壓范圍內(nèi)輸出穩(wěn)定的電壓。

圖3 采樣電阻電壓和漏源電壓Fig.3 Waveforms of sampling resistor voltage and drain-source voltage

圖4 采樣電阻電壓和驅(qū)動(dòng)脈沖波形Fig.4 Waveforms of sampling resistor voltage and driving pulse

7 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新穎的反激式開關(guān)電源，該電源具有7 路隔離輸出，能夠滿足諸多系統(tǒng)的供電要求，結(jié)合設(shè)計(jì)指標(biāo)，詳細(xì)設(shè)計(jì)了一種變壓器及其繞組吸收回路，著重對(duì)吸收回路齊納鉗位管的選取、繞組匝比、實(shí)際占空比、一次繞組電感值的計(jì)算、反激式變壓器磁芯的選擇、各繞組匝數(shù)的計(jì)算、變壓器氣隙大小的計(jì)算以及繞組的繞制方式等問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析與設(shè)計(jì)。并對(duì)控制芯片UC3844 的外圍電路和反饋回路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，57 W 的樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的7 路隔離輸出反激式開關(guān)電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)壓性能好，紋波小，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，而且所設(shè)計(jì)的電源能夠在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作。

［1］Bimal K Bose.Modern Power Electronics and AC Drives［M］.Lodon：Prentice Hall PTR，2001.

［2］張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

［3］劉勝利.現(xiàn)代高頻開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2001.

［4］王水平，史俊杰，田慶安.開關(guān)穩(wěn)壓電源原理、設(shè)計(jì)及實(shí)用電路［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

［5］林渭勛.現(xiàn)代電力電子技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［6］陳建萍，張文，鐘晨東，等.一種基于FAN6754A的PWM反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)［J］.電測(cè)與儀表，2013，48（10）：84-88.

［7］田俊杰，秋向華，陳靜，等.單端反激式開關(guān)電源中變壓器的設(shè)計(jì)［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2009，12（2）：23-26.

［8］張志薇.具有高功率因數(shù)的多路輸出反激變換器的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

［9］呂利明，肖建平，鐘智勇，等.高頻開關(guān)電源單端反激變壓器的原理與設(shè)計(jì)方法［J］.磁性材料及器件，2002，37（2）：36-38.

［10］張?zhí)m紅.電流控制型反激變換器分析與研究［J］.電力電子技術(shù)，2001，35（3）：11-13.

［11］孫海峰，蔣紅梅，崔玲玲.單端反激電路中高頻變壓器的設(shè)計(jì)［J］.電源世界，2007（10）：66-68.