—470V開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)

馬懷宇

摘要：在電子技術(shù)飛速發(fā)展的今天，許多電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，如液晶屏供電系統(tǒng)，大功率快速轉(zhuǎn)換開關(guān)系統(tǒng)，絕緣測(cè)試系統(tǒng)等都用到高電壓電源，使得高電壓電源的設(shè)計(jì)變得越來越重要，該文介紹了一種以PWM轉(zhuǎn)換芯片UC3842為核心，采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸出電壓高達(dá)-470V的開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)具有輸出功率高，轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：UC3842；反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；-470V；開關(guān)電源

中圖分類號(hào)：TP303 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）24-0160-03

-470V Switching Power Supply Circuit Design

MA Huai-yu

（Ocean Univercity of China， Qingdao 266107， China）

Abstract：In the rapid development of electronic technology today， many design of electronic systems， such as LCD power supply system， high-power fast transfer switch systems， insulation test system uses high-voltage power supply and so on， so that the high voltage power supply design is becoming increasingly important this paper introduces a kind of PWM converter chip UC3842 as the core， the output voltage flyback topology switching power supply up to -470V circuit design， the design has a high output power， high conversion efficiency.

Key words：UC3842； flyback topology； -470V； switching power supply

1 概述

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，高電壓電源在日常的生產(chǎn)、生活中應(yīng)用越來越廣泛，它尤其在液晶屏供電，大功率快速轉(zhuǎn)換開關(guān)供電，絕緣測(cè)試等領(lǐng)域中應(yīng)用更為廣泛，本產(chǎn)品是將220V交流市電利用PWM轉(zhuǎn)換芯片UC3842，采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)換為高性能的-470V，200mA的高壓電源，具有高電壓，大電流的特點(diǎn)，能較好地滿足系統(tǒng)要求。

2 工作原理

-470V電源電路圖如圖1所示：

2.1 總體思路

根據(jù)設(shè)計(jì)要求分析，電源的輸出功率Po=Vo×Io=500×0.2=100W，假設(shè)該電源效率80%，則變換器輸出功率=100/0.8=125W，則本電源可采用隔離式反激型變換器電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，本電源擬采用的PWM控制器為美國(guó)TI公司的UC3842，它屬于電流峰值模式控制PWM，采用IGBT管FGA25N120作為開關(guān)管進(jìn)行工作，采用外購(gòu)的變壓器進(jìn)行升壓及電路調(diào)整用。

2.2 電路分析

2.2.1 UC3842及其外圍電路

UC3842是一種單端輸出控制電路芯片，采用峰值電流模式控制。其最大的優(yōu)點(diǎn)為：外接元件少，接線簡(jiǎn)單，可靠性高，成本低，UC3842內(nèi)部方框圖如圖2所示。

由圖可見，其引腳有8個(gè)，但一樣可以使得內(nèi)部E/A誤差放大器構(gòu)成閉環(huán)，利用電流測(cè)定，電流測(cè)定比較器構(gòu)成電流閉環(huán)。端口8為內(nèi)部供外用的基準(zhǔn)電壓5V，帶載能力50mA；端口7為集成塊工作電源Vcc，電壓范圍為8V-40V，啟動(dòng)電壓閾值為16V，關(guān)閉閾值為10V，6V的啟動(dòng)與關(guān)閉差值可有效地防止電路再閾值電壓附近工作時(shí)產(chǎn)生振蕩，其內(nèi)部連接有34V穩(wěn)壓管有效防止高壓造成的損失，端口6為推挽輸出端，具有拉、灌電流的能力，輸出平均電流為200mA，最大電流為1A；端口5為地，端口4為振蕩器工作頻率控制端，工作頻率最高可達(dá)500kHz，端口3為電流敏感和限制電路接口，可采用回路接電阻將電流取樣送至3端，當(dāng)3端電壓高于1V時(shí)，電流敏感比較器輸出高電平，將PWM鎖存器復(fù)位，使輸出關(guān)閉。若故障消失，下一個(gè)時(shí)鐘周期將PWM鎖存器自動(dòng)置位。端口2為誤差放大器的反向輸出，通過連接變壓器的調(diào)整端，通過調(diào)整輸出端電流的占空比，調(diào)整輸出電壓。端口1為誤差放大器輸出，用于環(huán)路補(bǔ)償。參考圖一及上面所述可得，UC3842外圍電路的主要作用是：R1，D4，C5，C6組成UC3842的供電電路，R3，R4，D4，C5，C6組成電壓調(diào)整反饋電路，用于輸出電壓調(diào)整。R5， R3，R4，D4，C5，C6，C7組成環(huán)路補(bǔ)償電路；R6，R7，D6組成輸出驅(qū)動(dòng)電路，將輸出驅(qū)動(dòng)電流轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)電壓，驅(qū)動(dòng)開關(guān)管工作，C10為標(biāo)準(zhǔn)電壓源的去耦電容，C11，R9為定時(shí)元件，決定UC3842的振蕩頻率，R10，R11， C12構(gòu)成峰值電流檢測(cè)電流，當(dāng)檢測(cè)值超過規(guī)定電流值后，輸出關(guān)閉。

2.2.2 FGA25N120及其外圍電路分析

電源采用IGBT管FGA25N120作為開關(guān)管，IGBT管是MOSFET與GTR（大功率晶體管）復(fù)合而成，具有MOSFET的電壓型驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小的特點(diǎn)，同時(shí)具有GTR飽和壓降低和可耐高壓和大電流等一系列應(yīng)用上的優(yōu)點(diǎn)，本電源中使用的FGA25N120其特性參數(shù)為：Ic=50A，Vceo=2V，td（on）=50nS，td（off）=190 []nS，tr=90nS，tf=180nS，可以滿足本電源的參數(shù)要求。其外圍電路R2，D3，C3構(gòu)成充放電型RC-D緩沖電路；R8，D5，C9構(gòu)成的放電阻止型RC-D緩沖電路。

2.2.3 變壓器及其外圍電路

變壓器采用外購(gòu)件，為三端變壓器，即輸入端，輸出端及反饋調(diào)整端，其外圍電路C1，F(xiàn)1構(gòu)成交流保護(hù)電路，D1，L1，C2構(gòu)成全波整流電路，R12，R13，D2，C4，C8構(gòu)成反激式整流電路。

2.2.4 電路參數(shù)確定

2.2.4.1 主電路參數(shù)確定

由于本電源采用反激式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于反激式電路工作于電流連續(xù)模式時(shí)，其磁芯的利用率會(huì)顯著下降，因此在實(shí)際使用中，通常避免該電路工作于電流連續(xù)工作模式，根據(jù)反激型電路的電流連續(xù)臨界條件為：

[LRTs]≥[][（1-DMAX）22] （1）

式中R為電源負(fù)載，R=[VoIo]=[4700.2]=2.35kΩ

Ts為振蕩周期，設(shè)本電源工作頻率為80kHz，則Ts=0.0125mS；

DMAX為最大占空比，假設(shè)最大占空比為40%；

則可以得出變壓器輸出側(cè)電感量為L(zhǎng)≥5.4mH

輸出端檢波二極管采用1N4007，其正向通過電流可達(dá)1A，反向耐壓為1KV。滿足設(shè)計(jì)要求；由于耐壓原因，現(xiàn)采用C4與C13兩只100uF/400V電容進(jìn)行串聯(lián)工作，等效為50uF/800V電容工作，因τ=RC=0.12mS遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于TS=0.0125mS，滿足設(shè)計(jì)要求，R12，R13為均壓電阻，阻值=[10.015C]=680kΩ。

開關(guān)管采用FGA25N120，計(jì)算平均輸入電流：

[][]Is=[PVs]=[125286]=0.44A （2）

相應(yīng)的原邊峰值電流：

Ipeak=[IsTsTon]=0.44×2.5=1.1A （3）

最大直流輸入電壓為：

VINMAX=[2]×220=310V （4）

則箝位電壓為

VCLAMP=0.9VBR（DSS）-VINMAX=1080-310=670V （5）

最小直流輸入電壓為：

VINMIN=1.1×220=232V （6）

則次級(jí)反射電壓為：

Vor=[（ VINMIN-Vds）×DMAX1-Dmax]=153V （7）

則由R2、C3、D3組成的充放電型RC-D緩沖器參數(shù)可求得

得箝位電阻為：

R2=[2（VCLAMP-Vor）VCLAMPLlkIpeak2fs]=[2×（670-153）6701.8×10-3*0.05×（1.1）2×80×103]=80kΩ （8）

箝位電容為：

C3≥[VCLAMPΔCCLAMPR2fs]=[670670×2%×43×103×80×103]=15nF （9）

其中[ΔCCLAMP]為[VCLAMP]的浮動(dòng)值，一般為[VCLAMP]的2%-10%之間，現(xiàn)取最小值2%[VCLAMP]。則C3取值為15nF。D3為快速恢復(fù)二極管FR107。

另C9、R8、D5組成放電阻止型RC-D電路，取值為C9=820pF，R8=2.4kΩ，D5為快速恢復(fù)二極管FR107。

2.2.4.2 控制電路參數(shù)確定

控制電路以UC3842為核心器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)器件特性，取去耦電容C10為0.1uF。誤差放大器反饋電阻R5的取值為：

R5≥[1.0V+1.4V0.5mA]=4.8kΩ

則取R5為10kΩ反饋電容C7起高頻反饋及防止振蕩的作用，取值為0.01uF。在自啟動(dòng)電路中，取電阻R1為120kΩ，取自啟動(dòng)濾波電容C5為0.1uF，C6為100Uf/50V；設(shè)輔助線圈輸出電壓為13V左右，電阻R3、R4為啟動(dòng)電路及電壓反饋電路共用的外圍器件，設(shè)自啟動(dòng)電壓范圍為16V-40V，送入2腳的電壓為2.5V左右，則R3、R4取值為：

[VINMIN16]≤[120+R3+R4R3+R4]≤[VINMAX40] （10）

[R4R4+R3=2.513] （11）

可以得出：R3=14.4kΩ；R4=3.6kΩ

R9、C11為定時(shí)電阻RT、CT及電容，根據(jù)UC3842資料可得，在反激式結(jié)構(gòu)中，死區(qū)時(shí)間應(yīng)盡量小，應(yīng)采用大定時(shí)電阻，小定時(shí)電容的方式，R9≥5kΩ，在此設(shè)計(jì)中取R9=10kΩ，又由下面公式：

fs=[1.8RTCT] （12）

可得定時(shí)電容C11為2200pF。

R10、R11、C12組成電流取樣電路，根據(jù)式3可得，峰值電流為1.1A，留有余量后，設(shè)保護(hù)門限電流值為2A，可得門限電阻R11為：

RTH=[VTHITH]=[12]=0.5Ω （13）

R10與C12為濾波去干擾電路，防止開關(guān)電源誤關(guān)斷，現(xiàn)設(shè)R10為1kΩ，C12為470pF，根據(jù)實(shí)際電路還需調(diào)整具體取值。

R6、R7、D6組成UC3842的驅(qū)動(dòng)電路，其中R6、R7為柵極限流電路，同時(shí)R6與15V穩(wěn)壓管D6組成柵極保護(hù)電路，取R6為30Ω，R7為3kΩ。

2.2.4.3 變壓器參數(shù)確定

變壓器匝數(shù)比為NP：NS：NL=Vor：Vo：VL=153：470：13≈12：36：1

其中，NP為原邊匝數(shù)，NS為輸出端匝數(shù)，NL為調(diào)整端匝數(shù)，同時(shí)根據(jù)式1得出NS≥5.4mH，則要求NP≥1.8mH，NL≥0.15mH。

3 性能測(cè)試

本電路設(shè)計(jì)成功后，對(duì)各個(gè)電路中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，UC3842的4腳即頻率控制端的波形如圖3所示：

從上邊各點(diǎn)的測(cè)試情況分析，本電路滿足系統(tǒng)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了一種由UC3842為PWM控制器，由IGBT管FGA25N120作為開關(guān)管，采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的輸出電壓達(dá)到-470V，功率為100W的開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法，并通過分析推導(dǎo)得出了電路中各元器件的詳細(xì)參數(shù)。經(jīng)過實(shí)際電路搭建進(jìn)行驗(yàn)證后，發(fā)現(xiàn)該電路是切實(shí)可行的，可廣泛應(yīng)用于需輸出負(fù)高電壓，中小功率的電源系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)：

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