單端反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

劉夢坷，唐海洋

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048）

單端反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

劉夢坷，唐海洋

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048）

本文采用高性能電流控制型脈寬調(diào)制芯片UC3844作為電源的核心控制部分，設(shè)計(jì)了一種交流輸入為115 V、三路直流輸出為+5 V/3 A、±12 V/0.5 A的單端反激式開關(guān)電源。通過具體的試驗(yàn)，分析了電路的工作原理以及UC3844在反激式電路中反饋的用法，應(yīng)用脈寬調(diào)制和反饋得到了+5 V、±12 V三路穩(wěn)定的輸出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電源具有良好的性能。

開關(guān)電源；反激式；UC3844；變壓器

開關(guān)電源是通過開關(guān)管開通和截止實(shí)現(xiàn)電壓和電流變換的裝置，利用高頻變壓器來調(diào)整電壓的變化以及實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)隔離。開關(guān)電源因體積小、重量輕、功耗小、效率高等優(yōu)點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制、軍中設(shè)備，科研設(shè)備等領(lǐng)域[1]。

反激式開關(guān)電源電路簡單能有效的提供多路直流輸出，而且可以自動(dòng)均衡各路輸出負(fù)載，所以常被用于大功率高頻開關(guān)電源的輔助電源或功率開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電源[2]。文中介紹了一種基于UC3844的單端反激式開關(guān)電源的原理及設(shè)計(jì)方法。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)及工作原理

文中以UC3844為核心，設(shè)計(jì)一款輸入為AC115V（50 Hz），輸出為DC 5 V/3 A、12 V/0.5 A、-12 V/0.5 A單端反激式開關(guān)電源。電源效率η達(dá)到70%，開關(guān)頻率f達(dá)到40 kHz。輸出功率P0=27 W。

本次設(shè)計(jì)主要包括整流濾波模塊、功率變換模塊和反饋模塊。如圖1所示交流電經(jīng)過整流濾波得到脈動(dòng)的直流電壓，再經(jīng)UC3844脈寬調(diào)制和高頻變壓器變換得到方波電壓，最后經(jīng)輸出整流濾波得到直流電壓，同時(shí)將反饋信號與UC3844內(nèi)部的誤差放大器輸出的信號進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出電壓保持穩(wěn)定[3]。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 控制原理及參數(shù)的計(jì)算

電源電路采用了PWM控制模式，可以通過UC3844迅速調(diào)整脈沖占空比，從而在每一個(gè)周期內(nèi)對前一個(gè)周期的輸出電壓和初級線圈充磁峰值電流進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。這種設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，外圍電路簡單，可以精準(zhǔn)的快速的調(diào)節(jié)輸出電壓[4]。

主要功能模塊包括：芯片的供電電路，整流電路，反饋電路，保護(hù)電路。下面對各個(gè)模塊的原理和功能進(jìn)行分析，芯片外圍電路圖如圖2所示。其中3腳接電流檢測電路，6腳為PWM輸出腳。

圖2 芯片外圍電路圖

2.1 芯片的供電電路

UC3844供電包括兩個(gè)部分：啟動(dòng)階段和正常工作階段。啟動(dòng)階段由R1和C6組成，直流電經(jīng)限流電阻R1調(diào)節(jié)電壓，并給C6充電至UC3844的門檻電壓16 V后UC3844開始工作，啟動(dòng)時(shí)UC3844的工作電流小于 1 mA，正常工作時(shí)電流為 15 mA[5]。UC3844啟動(dòng)后的正常工作階段，工作電壓不能低于10 V，由反饋繞組整流濾波后給芯片供電[6]。電阻R1計(jì)算公式[7]

其中U為115 V交流電經(jīng)整流濾波后得到的直流電壓U=115*1.414=163 V，VI為UC3844的啟動(dòng)電壓16 V，

為了正常啟動(dòng)，電容C6的容量應(yīng)該足夠大，取100 μF/50 V。

2.2 整流濾波電路

輸入整流電路選擇不可控全波整流橋，采用電解電容C1濾波，得到脈動(dòng)直流電壓[8]。在UC3844輸出驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，開關(guān)管交替導(dǎo)通與關(guān)斷，變壓器次級可得到交流電壓，然后用二極管整流，濾波電感電容可消除高頻噪音。經(jīng)整流濾波之后，可獲得的直流輸出電壓。C2、R2、D5等可以吸收尖峰電壓保護(hù)變壓器[9]。

2.3 反饋電路

如圖3所示UC3844的腳1是內(nèi)部輸出放大器的輸出端；腳2為電壓反饋輸入端，主要作用是將取樣電壓加到誤差放大器的反相輸入端，然后與同相輸入端的基準(zhǔn)電壓2.5 V進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓；引腳1和引腳2之前有補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，可以改善放大器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，從而提升開關(guān)電源的穩(wěn)定性[10]。經(jīng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試測得C9=100 pF，R9=100 kΩ。

反饋繞組的電壓整流濾波后經(jīng)取樣電阻R10、R11分壓送到引腳2與UC3844內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓2.5 V作比較來調(diào)整驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比，從而改變改變輸出電壓以實(shí)現(xiàn)對輸出的控制[11]。在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，取R11=18 kΩ，R10=2.7 kΩ。

圖3 UC3844的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.4 保護(hù)電路

2.4.1 過流保護(hù)電路

UC3844引腳3為電流取樣輸入端，用于電流檢測，由于某種原因使輸出端短路產(chǎn)生過流，開關(guān)管漏極電流上升，R4兩端的電壓升高，UC3844的3腳的電壓也升高，當(dāng)其值超過1 V時(shí)，這將迫使電流比較器輸出高電平，使PWM鎖存器復(fù)位，關(guān)閉輸出。此時(shí)UC3844的6腳無輸出，開關(guān)管截止，從而保護(hù)了電路[12]。

2.4.2 開關(guān)管的保護(hù)電路

當(dāng)功率開關(guān)關(guān)斷時(shí)，由于漏感的影響，高頻變壓器的初級繞組上會產(chǎn)生反射電壓和尖峰電壓，這些電壓會直接施加開關(guān)管的漏極上，不加保護(hù)極容易使功率開關(guān)管擊穿[13]。因此將緩沖元件直接安裝在功率開關(guān)管的漏極與地之間，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，形成的尖峰脈沖能量轉(zhuǎn)移到C10中儲存，儲存的能量通過電阻消耗，起到了緩沖器受電壓尖峰的作用[14]。

3 高頻變壓器的設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的要求為電源效率η達(dá)到70%，開關(guān)頻率f達(dá)到40 kHz。輸出功率P0=27 W。

圖4 開關(guān)管保護(hù)電路

1）脈沖信號最大占空比的計(jì)算

本次設(shè)計(jì)的開關(guān)電源輸入交流電壓范圍是90~ 130 V，經(jīng)整流濾波后的最大直流電壓UMAX=183 V，最小直流電壓UMIN=126 V，開關(guān)管源極與漏極之間的壓降VDS=10 V，VOR為變壓器次級反射到初級的反射電壓取70 V，最大占空比為[15]

2）一次側(cè)峰值電流

一次側(cè)的電感量

3）選取鐵芯

其中KU=0.3，BMAX=0.25，KJ=400 A/CM2。

查閱鐵芯手冊，選取 EC35型，其中[16]AE=0.89 cm2

4）一次側(cè)繞組的匝數(shù)

取54匝；

反饋繞組的匝數(shù)

取13匝

其中U0為反饋繞組的電壓取16 V，UF為輸出整流管壓降取0.7，

輸出5 V端的匝數(shù)

取5匝

輸出為±12 V端的匝數(shù)

取10匝

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了一種基于UC3844的AC輸入、DC輸出的單端反激式開關(guān)電源。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該開關(guān)電源性能良好，輸出結(jié)果穩(wěn)定。圖5為UC3844時(shí)鐘信號波形圖，圖6為輸出為12 V的電壓波形圖。

圖5 時(shí)鐘波形圖

圖6 輸出電壓波形圖

5 結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)以基于UC3844控制芯片的高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)開發(fā)為目標(biāo)，對反激式開關(guān)電源的控制方式、UC3844芯片以及外圍電路的設(shè)計(jì)、高頻變壓器的設(shè)計(jì)、保護(hù)電路作了比較系統(tǒng)的分析。得出結(jié)論：該開關(guān)電源電壓調(diào)節(jié)范圍寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，穩(wěn)定余量大，能很好的滿足工作要求。

[1]劉俊，楚君，王玲.一種基于UC3844的多路輸出電源設(shè)計(jì)[J].電子工程師，2007，33（9）:49-52.

[2]周志敏，周紀(jì)海.開關(guān)電源使用技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社，2003.

[3]張維，宣榮喜．單端反激式開關(guān)電源研究與設(shè)計(jì)[D]．西安：西安電子科技大學(xué)，2011.

[4]王明，陳其工，江明.基于UC3842的反激式變換器與斜波補(bǔ)償[J].安徽工程科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，24（2）:46-49.

[5]劉勝利.高頻開關(guān)電源實(shí)用新技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[6]焦斌.電流控制型高須開關(guān)電源[J].鎮(zhèn)江高專學(xué)報(bào)，2004，17（3）:52-54.

[7]劉賢興，李眾.新型智能開關(guān)電源技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[8]張振國，王敏華，曲菲，等.TL431在開關(guān)電源反饋回路中的應(yīng)用[J].信息技術(shù)，2014（2）：73-76.

[9]何佳，張煜盛.電流型PWM控制器UC3844及其在微機(jī)電源中的應(yīng)用[J].電子工程師，2005，31（1）: 42-44.

[10]林曉偉.單端反激開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)[J].電子工程師，2007，33（5）:33-35.

[11]孫博，曹倩，張艷.開關(guān)電源的應(yīng)用及發(fā)展動(dòng)向[J].信息技術(shù)與信息化方案與應(yīng)用，2011（4）:57-59.

[12]張恩懷．開關(guān)電源的發(fā)展概況[J]．電力電子技術(shù)，1996（1）：74-78.

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

[14]郭創(chuàng)，張宗麟，樊蓉．常規(guī)開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及典型應(yīng)用電路 [J]．電子元件與材料，2003，22（8）：38-42.

[15]何艷麗，陳鳴，王克城．基于 UC3844的反激式穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)及分析[J]．電源技術(shù)應(yīng)用，2008（4）：17，21.

[16]朱俊林，劉細(xì)平．基于 UC3842的電流控制型脈寬調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓電源的研究[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2003（9）：25.

Design of a single flyback switching power supply

LIU Meng-ke，TANG Hai-yang
（School of Electronic and Information，Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710048，China）

In this paper，a high-performance current-controlled pulse width modulation control chip UC3844 as a core part of the power of design a AC input 115 V，three-channel DC output is+5 V/3 A，single-ended±12 V/0.5 A switch flyback power supply.through specific tests，analyzes the working principle of the circuit and the use of UC3844 in flyback circuit feedback，the application pulse width modulation and feedback obtained+5 V，±12 V three-way stable output.Experimental results show that the power supply has a good performance.

switch power；flyback；UC3844；transformer

TN710.1

：A

：1674－6236（2017）01-0175-04

2015-12-03稿件編號：201512026

劉夢坷（1992—），女，河南南陽人，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。