基于UC3845反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)及其在測(cè)井儀的應(yīng)用

馮延強(qiáng)，楊建濤，喬寶強(qiáng)，馬艷芳

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京100029）

反激式開關(guān)電源一般由功率開關(guān)管、高頻變壓器、整流二極管、濾波電容以及控制電路組成。系統(tǒng)輸入直流電壓，通過控制電路控制功率開關(guān)管的通斷獲取占空比可調(diào)的逆變電壓，然后將該逆變高頻交變方波電壓加在高頻變壓器的初級(jí)繞組，經(jīng)過變壓器的高頻變壓、整流、濾波，可輸出設(shè)計(jì)所需的直流電壓［1-2］。由于，在整個(gè)工作過程中，高頻變壓器的初級(jí)繞組導(dǎo)通時(shí)，次級(jí)繞組（含整流二極管）處于關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)高頻變壓器的初級(jí)繞組關(guān)斷時(shí)，次級(jí)繞組（儲(chǔ)能電感）釋放互感能量而提供輸出電壓，因此被稱為反激式開關(guān)電源［3-4］。該反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于控制電路、功率開關(guān)管和具有變壓、儲(chǔ)能、隔離作用的高頻變壓器。

測(cè)井儀井下探管電路布局空間緊湊、電路散熱不能過高。在1 km左右井深范圍內(nèi)，井液井溫不會(huì)太高，對(duì)于電路散熱要求較小。但對(duì)于高溫、深孔及某些易受溫度影響的特定參數(shù)測(cè)井時(shí)，對(duì)于探管內(nèi)部電路的散熱量盡量要小。另外，由于探管內(nèi)部電路空間有限，不適宜使用較大體積變壓器及外圍電路龐大復(fù)雜的電源系統(tǒng)。目前較多采用模塊化的直流穩(wěn)壓電源，但小體積該類模塊散熱量較大，難以滿足高溫測(cè)井、深孔測(cè)井等發(fā)展趨勢(shì)的需求。而反激式開關(guān)電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外圍電路元器件少、輸出電壓穩(wěn)定、隔離高頻變壓器散熱良好，相對(duì)于模塊式電源更具靈活性，更能滿足發(fā)展需求。

1 基于UC3845控制器的反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)原理

開關(guān)電源電流控制技術(shù)是利用開關(guān)電源的輸出電壓Uo作為反饋電壓與控制器中參考電壓Uref進(jìn)行比較，該比較誤差放大后的輸出電壓UE與采樣電壓Us（由功率開關(guān)峰值電流與無感采樣電阻Rs獲?。┻M(jìn)行比較，然后直接去控制功率開關(guān)通斷的占空比，使功率開關(guān)的峰值電流受采樣電壓Us信號(hào)控制，從而達(dá)到電流控制的目的。

UC3845是高性能固定頻率電流模式控制器，其系列芯片的內(nèi)部方框圖如圖1所示［5-7］。1腳為誤差放大輸出，并可用于環(huán)路補(bǔ)償；2腳是誤差放大器的反相輸入；3腳是電流取樣端，通常通過一個(gè)正比于電感器電流的電壓接到這個(gè)輸入，脈寬調(diào)制器使用此信息中止輸出開關(guān)管的導(dǎo)通；4腳為RT/CT端，通過將電阻RT連至Uref端并將CT端連至地，使得振蕩器頻率可調(diào)；5腳為接地端；6腳為輸出端，輸出開關(guān)頻率為振蕩器的一半；7腳為Vcc端；8腳為參考輸出，它經(jīng)RT端向電容CT端提供充電電流，可提供大電流圖騰柱輸出，輸出電流達(dá)1 A。工作時(shí)，UC3845控制器2腳為變壓器輸出的反饋電壓，該電壓與控制器內(nèi)部的2.5 V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，輸出誤差增益1腳電壓通過外接RC反饋網(wǎng)絡(luò)到2腳，通過改變外接RC的值可改變誤差增益放大器的增益和頻響；與此同時(shí)，1腳電壓經(jīng)過1.4 V壓降和1/3倍分壓后與采樣電壓比較，比較結(jié)果直接控制MOSFET管的通斷，從而實(shí)現(xiàn)反激式開關(guān)電源功率開關(guān)管的通斷控制。

2 參數(shù)計(jì)算

2.1 UC3845外圍電路參數(shù)計(jì)算

2.1.1 啟動(dòng)電壓

UC3845典型啟動(dòng)電壓為8.5 V，電流為1 mA。內(nèi)部具有過壓保護(hù)和欠壓鎖定功能，當(dāng)工作電壓Vcc超過36 V時(shí)，內(nèi)部穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓?jiǎn)?dòng)，使內(nèi)部電路在小于36 V電壓下可靠工作；當(dāng)工作電壓Vcc低于8.5 V時(shí)，芯片鎖定，僅1 mA耗電電流，功耗較低。系統(tǒng)啟動(dòng)阻值和啟動(dòng)電容參考式（1）與式（2）。

式中：Rin—系統(tǒng)啟動(dòng)阻值（Ω）；Uin—系統(tǒng)輸入直流電壓（V）； Iin—系統(tǒng)啟動(dòng)電流（A）。

式中： Cin—系統(tǒng)啟動(dòng)電容（F）； ΔVcc—UC3845門限鎖定電壓范圍（V）；f—UC3845震蕩頻率（kHz）。

2.1.2 震蕩頻率

圖1 UC3845內(nèi)部方框圖Fig.1 The block diagram of UC3845

UC3845控制器的振蕩器工作頻率可由外部8腳和4腳之間電阻值RT和4腳與5腳（地）之間電容值CT（圖1）決定。其電容值CT由參考電壓Vref通過電阻充電，充至2.8 V后由內(nèi)部觸發(fā)鎖存器并放電至1.2 V，形成振蕩器鋸齒波脈沖信號(hào)。震蕩頻率f計(jì)算如式（3）：

式中： RT—震蕩限流電阻 （Ω），要求大于5 kΩ； CT—震蕩充放電電容（F）。

2.1.3 采樣電阻

采樣電阻為MOSFET管的源級(jí)與地之間串接的無感電阻Rs（圖1），當(dāng)MOSFET管導(dǎo)通時(shí)，變壓器初級(jí)電流與系統(tǒng)輸入電壓關(guān)系見式（4）。采樣電阻端電壓（UC3845的3腳電壓）為Us＝Rs×i，由于當(dāng)采樣電壓超過 1 V時(shí)，UC3845內(nèi)部比較器會(huì)輸出高電平，RS鎖存器將復(fù)位，PWM輸出低電平，MOSFET管將關(guān)斷。因此無感取樣電阻值應(yīng)滿足式（5）的要求。

式中：L—變壓器初級(jí)電感（H）；i—變壓器的初級(jí)電流（A）。

式中：Rs—無感采樣電阻阻值 （Ω）；Ip—變壓器初級(jí)繞組峰值電流 （A）；P—變壓器輸出功率（W）； Dmax—系統(tǒng)工作最大占空比。

2.1.4 濾波

UC3845的工作電壓Vcc一般設(shè)計(jì)由變壓器的反饋繞組提供，為了避免引入高頻干擾信號(hào)，需要Vcc端對(duì)地接一個(gè)高頻濾波瓷片電容，并且PCB布線也要注意不能有銅箔引入電感量，以免產(chǎn)生干擾。

另一方面，如果同一Uin作為多個(gè)高頻變壓器的系統(tǒng)輸入電壓時(shí)，需要注意各個(gè)變壓器之間的忽擾問題，各自的輸入電壓盡量距離Uin較近，不可串聯(lián)布線。

2.2 變壓器參數(shù)計(jì)算

反激式開關(guān)電源中的變壓器具有高頻變壓和電氣隔離作用，在確定系統(tǒng)輸入電壓Uin、輸出電壓Uo等性能參數(shù)條件下，其具體參數(shù)設(shè)計(jì)如下。

2.2.1 開關(guān)頻率

變壓器的開關(guān)頻率F為系統(tǒng)PWM控制器震蕩頻率的0.5倍，所以在UC3845外圍電路設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)RT、CT計(jì)算獲得的震蕩頻率f的一半即為變壓器的開關(guān)頻率。

2.2.2 變壓器變比

在確定系統(tǒng)工作最大占空比Dmax（UC3845最大占空比為0.5）后，變壓器的變比N滿足式（6）：

式中：Uo—系統(tǒng)輸出直流電壓（V）；0.7—為整流二極管管壓降（V）。

2.2.3 占空比

變壓器占空比D需根據(jù)變壓器的反射電壓 Uor按照式（7）計(jì)算：

式中：Uor—變壓器反射電壓 （V），變壓器反射電壓Uor經(jīng)驗(yàn)值為MOSFET管箝位電壓Uz除以1.4得到。

2.2.4 初級(jí)電感

變壓器初級(jí)電感Lp由系統(tǒng)輸入電壓Uin、系統(tǒng)工作最大占空比Dmax、變壓器輸出功率P及變壓器開關(guān)頻率F按照式（8）計(jì)算：

2.2.5 磁芯選擇

反激式開關(guān)電源的變壓器為高頻變壓器，其磁芯通常采用鐵氧體或鐵基納米晶合金（超微晶合金）。在磁芯選擇時(shí)，需要按照式（9）計(jì)算磁芯有效體積 Ve。

式中：Pin—變壓器輸入功率 （W）；r—變壓器紋波系數(shù)（一般取值0.5）；F—變壓器開關(guān)頻率 （Hz）； η—變壓器的變換效率 （一般取值0.7）。

2.2.6 變壓器匝數(shù)

初級(jí)繞組匝數(shù)Np依據(jù)2.2.4初級(jí)電感和初級(jí)電感峰值電流Ip及2.2.5磁芯參數(shù)用式（10）計(jì)算：

式中：Ip—初級(jí)繞組峰值電流（A）；Ae—磁芯截面積（mm2）；ΔB—磁感應(yīng)強(qiáng)度擺幅（一般設(shè)計(jì)為 0.3）。

初級(jí)繞組線徑依據(jù)初級(jí)電感有效電流按照式（11）計(jì)算獲得：

圖2 實(shí)例電路原理圖Fig.2 The diagram of designed circuit example

式中：Φn—初級(jí)繞組線徑（mm）；Irms—初級(jí)繞組電流有效值（A）；J—電流密度（一般設(shè)計(jì)為4.5 A/mm2）。次級(jí)匝數(shù)為初級(jí)匝數(shù)與2.2.2變壓器變比的比值，次級(jí)繞組線徑計(jì)算方法與初級(jí)繞組線徑計(jì)算方法一致。

2.3 設(shè)計(jì)實(shí)例

基于上述2.1 UC3845外圍電路參數(shù)計(jì)算與2.2節(jié)變壓器參數(shù)計(jì)算，設(shè)計(jì)了反激式開關(guān)電源（圖2）。UC3845工作電壓Vcc由輔助繞組NC提供，震蕩頻率設(shè)計(jì)為40 kHz，變壓器輸出＋5 V電壓作為反饋電壓。

該設(shè)計(jì)實(shí)例輸入電壓范圍70～100 V、輸出電壓±5 V （電流0.5 A）、輸出電壓±15 V（電流0.3 A）、最大占空比設(shè)計(jì)為0.45、變壓器變換效率設(shè)計(jì)為70% （表1）。

表1 實(shí)例電路設(shè)計(jì)參數(shù)表Table 1 The parameters of electrical circuit example

3 實(shí)例應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)的基于UC3845反激式開關(guān)電源用于測(cè)井儀井下探管直流電源系統(tǒng)，實(shí)測(cè)表明系統(tǒng)在輸入電壓70～100 V范圍內(nèi)運(yùn)行穩(wěn)定，輸出電壓準(zhǔn)確，±5 V電源輸出紋波系數(shù)小于0.8%，±15 V電源輸出紋波系數(shù)小于0.5%，與現(xiàn)有井下探管采用的直流穩(wěn)壓模塊（DC/DC WD5系列中WD5-110S5B紋波系數(shù)1.0%、WD5-110S12B紋波系數(shù)0.8%）在同樣輸出電壓條件下紋波系數(shù)基本一致，能夠滿足測(cè)井儀井下探管對(duì)于直流電源的應(yīng)用需求。

相對(duì)于現(xiàn)有井下探管采用直流穩(wěn)壓模塊的方式，文中設(shè)計(jì)裝置具備優(yōu)勢(shì)：1）可按探管內(nèi)部工作電壓、功率需求來設(shè)計(jì)輸出電壓，靈活性高、適用性強(qiáng)；2）原有直流穩(wěn)壓模塊長(zhǎng)時(shí)間工作易發(fā)熱，探管內(nèi)部溫度會(huì)升高，對(duì)于深井應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)不利，而文中采用高頻變壓器的設(shè)計(jì)發(fā)熱小，探管內(nèi)部溫度幾乎不會(huì)受此影響，更適用于未來深井探管的應(yīng)用。

綜上，文中設(shè)計(jì)的基于UC3845反激式開關(guān)電源在同樣條件下與電源模塊性能指標(biāo)一致，但其更具靈活性與適用性，對(duì)于未來發(fā)展深井應(yīng)用更為有效。

4 結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)的基于電流型PWM控制器UC3845的反激式開關(guān)電源輸入電壓范圍70～110 V，輸出±5 V、±15 V直流電壓穩(wěn)定，紋波較小。實(shí)際應(yīng)用表明設(shè)計(jì)實(shí)例能夠滿足測(cè)井儀井下探管直流電源系統(tǒng)的應(yīng)用需求，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。