單端反激式開關(guān)電源電路級(jí)和電壓反饋環(huán)的設(shè)計(jì)

摘要：與工頻變壓器相比，開關(guān)電源具有新型高效以及節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，其代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向。Unitrode公司推出的UC3843系列控制芯片是電流型PWM控制器的典型代表。由于開關(guān)電源使用單端或雙端輸出脈寬調(diào)制，從而省去了笨重的工頻變壓器，因此，能夠制成幾瓦到幾千瓦的電源。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源 反激變換 電路級(jí) 電壓反饋環(huán)

電是工業(yè)的動(dòng)力，是人類生活的源泉。電源是產(chǎn)生電的裝置，表示電源特性的參數(shù)有功率、電壓、電流、頻率；在同一參數(shù)要求下，又有重量、體積、效率和可靠性等指標(biāo)。用電一般都需經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換才能合適使用的需要，例如交流轉(zhuǎn)換成直流，高電壓變成低電壓，大功率變換小功率等。

電子設(shè)備隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，但是設(shè)備對(duì)電源的要求也越來(lái)越高。由于傳統(tǒng)性電源笨重且效率低，從而嚴(yán)重影響了電子設(shè)備和電子產(chǎn)品的發(fā)展。

反激變換器之所以能夠廣泛應(yīng)用于小功率開關(guān)電源產(chǎn)品中，是因?yàn)槠渚哂须娐泛?jiǎn)單、輸入輸出電壓隔離、成本低以及空間要求少等優(yōu)點(diǎn)。為了進(jìn)一步提高變換器的效率從而實(shí)現(xiàn)高效率高功率密度以及低成本的要求，可以在反激變換器中應(yīng)用同步整流技術(shù)，因此，研究反擊同步整流變換器具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

1 單端反激式開關(guān)電源控制原理

在線性電源中，線性電源的穩(wěn)壓是以犧牲調(diào)整管上的耐壓來(lái)維持的，功率晶體管工作在線性模式，因此調(diào)整管的功耗成為了線性穩(wěn)壓電源的主要損耗。開關(guān)電源的功率與線性穩(wěn)壓電源所不同的是具有開關(guān)導(dǎo)通和截至兩種狀態(tài)。由于在導(dǎo)通時(shí)，電壓低，電流大；在關(guān)斷時(shí)電壓高，電流小，因此，無(wú)論在哪種狀態(tài)下加在功率開關(guān)上的伏安乘積（即功率器件上功率開關(guān)的損耗）總是很小。不同于線性穩(wěn)壓電源，開關(guān)電源更為有效的電壓控制方式是PWM Pulse Width Modulation控制方式，就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，然后通過(guò)濾波電路來(lái)等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。但是由于等幅脈沖多受開關(guān)電源控制，因此，開關(guān)電源的控制器能夠?qū)γ}沖的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)輸入電壓被斬成交流方波，其輸出幅值就可以通過(guò)高頻變壓器來(lái)升高或降低。通過(guò)改變高頻變壓器的二次繞組個(gè)數(shù)就可以改變電壓的輸出路數(shù)。最后這些交流脈沖波形經(jīng)過(guò)整流濾波后就得到所需的直流輸出電壓。

用狀態(tài)空間平均法建立狀態(tài)空間平均模型單端反激式變換器如圖1所示，它有連續(xù)和斷續(xù)兩種工作狀態(tài)，即恒壓狀態(tài)和恒流狀態(tài)，也就是能量不完全傳遞方式和能量完全傳遞方式。

2 開關(guān)電源電路級(jí)設(shè)計(jì)

具體電路模塊設(shè)計(jì)，分析其工作狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體架構(gòu)，根據(jù)設(shè)計(jì)電源的功能要求和性能指標(biāo)來(lái)完成各原理、計(jì)算和選取電路參數(shù)的設(shè)計(jì)。

圖2所示為單端反激式開關(guān)電源實(shí)物主電路，首先電源的輸入端給出41-57V的直流電壓，C3電容是一個(gè)濾低頻的電容，R2是一個(gè)啟動(dòng)電阻，通過(guò)R2的電壓電流接到集成芯片UC3843的7管腳上，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，啟動(dòng)電流為1mA的電流帶動(dòng)集成芯片。然后在接入一個(gè)RC回路，RC吸收回路的作用，一是為了對(duì)感性器件在電流瞬變時(shí)的自感電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行鉗位，二是抑制電路中因dv/dt對(duì)器件所引起的沖擊，在感性負(fù)載中，開關(guān)器件關(guān)斷的瞬間，如果此時(shí)感性負(fù)載的磁通不為零，根據(jù)楞次定律便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)自感電動(dòng)勢(shì)，對(duì)外界辭放磁場(chǎng)儲(chǔ)能，為簡(jiǎn)單起見，一般都采用RC吸收回路，將這部份能量以熱能的方式消耗掉。

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2.1 RC吸收回路

RCD緩沖電路可以有效的吸收這種由漏感引起的電壓尖峰，其電路原理如圖3所示。當(dāng)Vds超過(guò)Vin+nV0時(shí)，緩沖電路中的二極管Dsn開通，RCD緩沖電路吸收漏感器的電流。如果Csn足夠的大，其上的電壓在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)幾乎是不變的。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，Vds被充電到，Vin+nV0原邊電流經(jīng)過(guò)緩沖二極管Dsn流到緩沖電容中Csn，同時(shí)二次側(cè)二極管開通。

2.2 UC3843集成芯片

圖4所示為UC3843控制芯片管腳圖。1管腳為補(bǔ)償端口，2管腳為電壓反饋輸入端口，3管腳為電流取樣輸入端口，4管腳為RT/CT端口，5管腳為接地端口，6管腳為輸出端口，7管腳為電源VCC，8腳為5V參考。

UC3843作為一種高性能固定頻率電流模式控制器，專門為離線和直流至直流變換器應(yīng)用而設(shè)計(jì)，因此，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員提供只需最少外部元件就能獲得較高成本效益的解決方案。UC3843是專門為低壓用戶應(yīng)用設(shè)計(jì)的，低壓鎖定門限是8.5V（通）和7.6V（斷）。電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出，是驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的理想器件。

3 電壓反饋環(huán)的設(shè)計(jì)

3.1 電壓反饋模塊

雖然電壓反饋環(huán)的設(shè)計(jì)電壓反饋電路具有基本反饋電路、改進(jìn)型基本反饋電路、配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路和配TL431的精密光耦反饋電路四種基本類型，但是由于本設(shè)計(jì)對(duì)于電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率具有較高的要求，因此，采用了配TL431的精密光耦反饋電路，如圖5所示。此電路之所以能夠?qū)敵鲭妷哼M(jìn)行調(diào)整，那是由于其采用TL431型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器代替穩(wěn)壓管，從而構(gòu)成了外部誤差放大器。該電路的電路雖然比較復(fù)雜，但是卻具有極好的穩(wěn)壓性。對(duì)于多路輸出的單片開關(guān)電源而言，不僅能夠把主輸出作為主要的反饋信號(hào)，最重要的是其他各路輔助輸出能夠按照一定比例反饋到TL431的2.5V基準(zhǔn)端，這對(duì)于提高多路輸出式開關(guān)電源的整體穩(wěn)定性具有重要的意義。

3.2 電流反饋環(huán)的模塊

通過(guò)電流檢測(cè)電阻，電流環(huán)能夠?qū)㈤_關(guān)管的電流轉(zhuǎn)化為電壓反饋信號(hào)，與電壓控制環(huán)檢測(cè)的電壓比較后產(chǎn)生PWM波，從而對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制。選定電流取樣電阻后，需要通過(guò)一個(gè)L型的RC低通濾波網(wǎng)絡(luò)，將這個(gè)采樣信號(hào)送給UC3843的電流比較器。L型RC低通濾波網(wǎng)絡(luò)的上限截止頻率如圖6所示。

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根據(jù)低通濾波器的對(duì)數(shù)幅頻特性可知，當(dāng)輸入信號(hào)頻率低于fh時(shí)，輸出和輸入信號(hào)幾乎完全相同；當(dāng)大于fh時(shí)，輸出信號(hào)就會(huì)大幅度衰減。

利用示波器能夠?qū)s采樣電阻上的信號(hào)頻率進(jìn)行測(cè)量，因此，在保證Rs電阻上正常采樣電壓不被濾波器衰減的情況下選擇低通濾波器的RC參數(shù)。

如果在設(shè)計(jì)開關(guān)電源的過(guò)程中沒有選擇合適的RC參數(shù)，就會(huì)由于濾波器的上限截止頻率fh偏小而導(dǎo)致Rs采樣信號(hào)的衰減，當(dāng)增大負(fù)載時(shí)，由于PWM無(wú)法調(diào)大控制脈沖的占空，最終導(dǎo)致變壓器由于負(fù)載過(guò)重而發(fā)生嘯叫。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以減小濾波電容C的取值從而提高fh，這樣開關(guān)電源在加重的負(fù)載下也能夠很好的穩(wěn)壓，從而不會(huì)出現(xiàn)以上問(wèn)題。

專為離線式直流變換電路設(shè)計(jì)的UC3843作為一種高性能的固定頻率電流型脈寬集成控制芯片，適合做20W-80W的小型開關(guān)電源，其具有的電壓調(diào)整率可達(dá)0.01%；工作頻率高達(dá)50kHz；啟動(dòng)電流低于1mA以及外圍元件少等優(yōu)點(diǎn)。其適應(yīng)工作于0℃-70℃的環(huán)境中，最高輸入電壓和最大輸出電流分別為30V和1A，能夠有效驅(qū)動(dòng)雙極型功率管和MOSFET。

此電路的工作原理為：加在Rin上以及降壓后加在UC3843引腳7上的直流電壓能夠?yàn)樾酒峁┐笥?6V的啟動(dòng)電壓，當(dāng)芯片起動(dòng)后，維持芯片正常工作的電壓是由反饋繞組提供的。單端反激變壓器T1的反饋繞組產(chǎn)生的反饋電壓隨著輸出電壓的升高而升高，經(jīng)過(guò)R1和R3的電壓組成的大分壓網(wǎng)絡(luò)可將分壓送入U(xiǎn)C3843的引腳2，經(jīng)與基準(zhǔn)電壓比較且經(jīng)誤差放大器放大后，能夠減小UC3843引腳6的驅(qū)動(dòng)脈沖占空比，從而降低了輸出電壓而達(dá)到了穩(wěn)定輸出電壓的目的。

4 結(jié)論

能源問(wèn)題成為目前社會(huì)較為關(guān)注的節(jié)能問(wèn)題，希望設(shè)置出更多的可再生能源，在應(yīng)用中具有低成本、體積小、攜帶方便、可靠性高的特點(diǎn)。改進(jìn)RC吸收回路UC3843電流集成芯片，使其功能更加全面，用途更加廣泛；設(shè)計(jì)的小電源攜帶方便，實(shí)用、成本低適合大多數(shù)人設(shè)計(jì)。

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作者簡(jiǎn)介：

王顯維（1959-），男，遼寧彰武縣人，本科，工程師，研究方向：電氣工程、工業(yè)自動(dòng)化。