單端反激式開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)

1、*0引言近年來(lái)隨著電源技術(shù)的飛速發(fā)展，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源正朝著小型化、高頻化、繼承化的方向發(fā)展，高效率的開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。單端反激式變換器以其電路簡(jiǎn)單、可以高效提供直流輸出等許多優(yōu)點(diǎn)，特別適合設(shè)計(jì)小功率的開(kāi)關(guān)電源。本文簡(jiǎn)要介紹了 Unitorde公司生產(chǎn)的電流型脈寬調(diào)制器UC3842，介紹了該芯片在單端反激式開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用，對(duì)電源電路進(jìn)行了具體分析。利用本文所述的方法設(shè)計(jì)的小功率 開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)應(yīng)用在國(guó)電南瑞科技股份有限公司工業(yè)控制分公司自主研發(fā)的分散控制系統(tǒng)GKS-9000中，運(yùn)行狀況良好，各項(xiàng)指標(biāo)均符合實(shí)際工程的要求。1反激式開(kāi)關(guān)電源基本原理單端反激開(kāi)關(guān)電源采用了穩(wěn)定性很好的雙環(huán)

2、路反饋（輸出直流電壓隔離取樣反饋外回路和初級(jí)線圈充磁峰值電流取樣反饋內(nèi)回路）控制系統(tǒng)，就可以通過(guò)開(kāi)關(guān)電源的PWM（脈沖寬度調(diào)制器）迅速調(diào)整脈沖占空比，從而在每一個(gè)周期內(nèi)對(duì)前一個(gè)周期的輸出電壓和初級(jí)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。這種反饋控制電路的最大特點(diǎn)是： 在輸入電壓和負(fù)載電流變化較大時(shí)，具有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，自動(dòng)限制負(fù)載電流， 補(bǔ)償電1所示。路簡(jiǎn)單。反激電路適應(yīng)于小功率開(kāi)關(guān)電源，其原理圖如圖W FL 舊S設(shè)場(chǎng)效應(yīng)管電流在無(wú)感電阻|風(fēng)吵劇111圖1電蔬型反激式變換器的基本涼理下面分析在理想空載的情況下電流型 PWM的工作情況。與電壓型的PWM比較，電流 型PWM又增

3、加了一個(gè)電感電流反饋環(huán)節(jié)。圖中：A1為誤差放大器;A2為電流檢測(cè)比較器；U2為RS觸發(fā)器;Uf為輸出電壓Uo的反 饋取樣，該反饋取樣與基準(zhǔn)電壓 Uref通過(guò)誤差放大器 A1產(chǎn)生誤差信號(hào) Ue（該信號(hào)也是A2 的比較箝位電壓Q1導(dǎo)通，則電感電流iL以斜率Ui/L線性增長(zhǎng)，L為T1的原邊電感，電感R1上采樣U仁R1iL，該采樣電壓被送入電流檢測(cè)比較器A2與來(lái)自誤差放大器的Ue進(jìn)行比較，當(dāng)u1>Ue時(shí)，A2輸出高電平，送到 RS觸發(fā)器U2的復(fù)位端，則兩輸 入或非門U1輸出低電平并關(guān)斷 Q1;當(dāng)時(shí)鐘輸出高電平時(shí)，或非門U1始終輸出低電平，封鎖PWM，在振蕩器輸出時(shí)鐘下降的同時(shí)，或非門U1的兩輸入

4、均為低電平，則Q1被打開(kāi)。因此，從上面的分析可以看出，電流型PWM信號(hào)的上升沿由振蕩器時(shí)鐘信號(hào)的下降沿 決定，而PWM的下降沿則由電感電流的陷值信號(hào)和來(lái)自誤差放大器的誤差信號(hào)共同決定， 其工作時(shí)序如圖2所示。fLJLJ甸.iLfL/irLTm圖2反激電路的工作波形單端反激式開(kāi)關(guān)電源以主開(kāi)關(guān)管的周期性導(dǎo)通和關(guān)斷為主要特征。開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器一次側(cè)線圈內(nèi)不斷儲(chǔ)存能量；而開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器將一次側(cè)線圈內(nèi)儲(chǔ)存的電感能量通 過(guò)整流二極管給負(fù)載供電，直到下一個(gè)脈沖到來(lái)，開(kāi)始新的周期。開(kāi)關(guān)電源中的脈沖變壓器起著非常重要的作用：一是通過(guò)它實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)-磁場(chǎng)-電場(chǎng)能量的轉(zhuǎn)換，為負(fù)載提供穩(wěn)定的直流電壓；二是可以實(shí)

5、現(xiàn)變壓器功能，通過(guò)脈沖變壓器的初級(jí)繞組 和多個(gè)次級(jí)繞組可以輸出多路不同的直流電壓值，為不同的電路單元提供直流電量；三是可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電源變壓器的電隔離作用，將熱地與冷地隔離，避免觸電事故，保證用戶端的安全。2反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)就是反饋回路的設(shè)計(jì)，反饋回路設(shè)計(jì)的好壞直接決定了開(kāi)關(guān)電源的精度和穩(wěn)定性能。前面已經(jīng)介紹了單端反激開(kāi)關(guān)電源采用的是雙環(huán)路反饋。以下將介紹利用電流型PWM芯片UC3842設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源的兩種反饋回路時(shí)需要注意的一些問(wèn)題。2.1輸出直流電壓隔離取樣反饋外回路UC3842是一種高性能的固定頻率電流型脈寬集成控制芯片，是專為離線式直流變換電路設(shè)計(jì)的。其主要優(yōu)點(diǎn)

6、是電壓調(diào)整率可以達(dá)到 0.01%，工作頻率高達(dá) 500 kHz，啟動(dòng)電流小于1 mA，外圍元件少。它適合做20 W80 W的小型開(kāi)關(guān)電源。其工作溫度為0 C70C, 最高輸入電壓30 V，最大輸出電流1 A，能驅(qū)動(dòng)雙極型功率管和 MOSFET。UC3842采用DIP-8形式封裝。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖和各引腳的功能見(jiàn)有關(guān)手冊(cè)。UC3842的典型應(yīng)用電路如圖 3所示。一13fti-VRSK百S3單攜反激開(kāi)關(guān)電游典型電蹈該電路的工作原理是：直流電壓加在Rin上，降壓后加在 UC3842的引腳7上，為芯片提供大于16 V的啟動(dòng)電壓，當(dāng)芯片啟動(dòng)后由反饋繞組提供維持芯片正常工作需要的電壓。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)， 單

7、端反激變壓器 Tl的反饋繞組上產(chǎn)生的反饋電壓也升高，該電壓經(jīng)R1和R3組成大分壓網(wǎng)絡(luò)，分壓后送入U(xiǎn)C3842的引腳2，與基準(zhǔn)電壓比較后，經(jīng)誤差放大器放大，使UC3842引腳6的驅(qū)動(dòng)脈沖占空比減小，從而使輸出電壓降低，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。此電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易布線，成本低。但是，UC3842的采樣電壓不是從輸出端取到的, 輸出電壓穩(wěn)壓精度不高，只適合于用在負(fù)載較小的場(chǎng)合。為克服上述問(wèn)題，可以對(duì)上述反饋電路進(jìn)行改進(jìn)，采用光耦和電壓基準(zhǔn)進(jìn)行反饋控制，可以極大地提高開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)定性和精度。采用這種方法進(jìn)行反饋控制時(shí)需要從副邊繞組輸出端進(jìn)行取樣，電路見(jiàn)圖nLI:ZClA2廠l：t4 廠± I

8、f.:AJIBE4輸出直滿電壓ffiS取樣反饋外回路電壓采樣及反饋電路由光耦PS2701、TL431和阻容網(wǎng)絡(luò)組成，圖中R5和C5用于TL431的頻率補(bǔ)償，不能缺少。通過(guò)調(diào)節(jié)由R6，R7組成的分壓網(wǎng)絡(luò)后得到采樣電壓，該采樣電壓與三端可調(diào)穩(wěn)壓塊 TL431提供的2.5 V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)輸出電壓正常時(shí)， 采樣電壓與TT431提供的2.5 V電壓基準(zhǔn)相等，則TL431的K極電位保持不變， 從而流過(guò)光耦U3二極 管的電流不變，進(jìn)而流過(guò)光耦CE的電流也不變，UC3842引腳2的反饋電位Uf保持不變，則引腳6輸出驅(qū)動(dòng)的占空比不變， 輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值不變。當(dāng)輸出5V電壓因?yàn)槟撤N原因升高時(shí)，分壓網(wǎng)絡(luò)

9、上得到的輸出電壓采樣值會(huì)隨之升高，從而TL431的K極電位下降，流過(guò)光耦二極管的電流增大， 進(jìn)而流過(guò)CE的電流增大，從而UC3842的引腳2的電位升高。 由UC3842內(nèi)部示意圖可知：誤差放大器A1的輸出電壓Ue減小，亦即電流檢測(cè)比較器鉗從而使輸出電壓減位電壓減小，所以由圖 2可知：UC3842引腳6輸出驅(qū)動(dòng)的占空比減小， 小，這樣就完成了反饋穩(wěn)壓的過(guò)程。22初級(jí)線圈充磁峰值電流取樣反饋內(nèi)回路如果內(nèi)初級(jí)線圈充磁峰值電流取樣的內(nèi)回路反饋也是開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)起決定作用的環(huán)節(jié), 回路反饋設(shè)計(jì)不符合電路要求，開(kāi)關(guān)電源就無(wú)法正常工作。設(shè)計(jì)內(nèi)回路反饋時(shí)，需要在開(kāi)關(guān)管上串聯(lián)一個(gè)以地為參考的取樣電阻Rs（見(jiàn)圖1、

10、圖4中的R1和圖3中的R8），將初級(jí)線圈的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)， 此電壓由電流檢測(cè)比較器 A2 監(jiān)視并與來(lái)自誤差放大器 A1的輸出電平比較。在正常的工作條件下，峰值電感電流由引腳1上的電壓控制，其中:(O當(dāng)電源輸出過(guò)載或者輸出取樣丟失時(shí)，異常的工作條件將出現(xiàn)， 在這些條件下，電流比較器的門限被內(nèi)部鉗位至1.0 V，貝U而開(kāi)關(guān)電源初級(jí)線圈最大峰值電流為短路保護(hù)時(shí)變壓器初級(jí)線圈流過(guò)的最大電流:式中：IP為初級(jí)線圈電感電流；Pout為開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)輸出功率;Vin為開(kāi)關(guān)電源輸入電 壓;D為PWM的輸出信號(hào)占空比;N為電源效率。根據(jù)式（2）、式（3）可以推算:根據(jù)計(jì)算得出的Rs阻值可以進(jìn)一步計(jì)算出電流取樣電阻的功率: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UC3842的電流比較器。L型RC低通濾波網(wǎng)絡(luò)的上限截止頻率為:從低通濾波器的對(duì)數(shù)幅頻特性可知，當(dāng)輸入信號(hào)頻率低于fh時(shí)，輸出信號(hào)與輸人信號(hào)幾乎完全相同；當(dāng)輸入信號(hào)頻率高于fh時(shí)，輸出信號(hào)會(huì)大幅度衰減。RC參數(shù)時(shí)利用示波器可以測(cè)量 Rs采樣電阻上的信號(hào)頻率，因此，選擇低通濾波器的 必須要保證Rs電阻上正常的采樣電壓不能被濾波器衰減。設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí)，如果 RC參數(shù)選擇不當(dāng)，使濾波器的上限截止頻率fh偏小，導(dǎo)致正常的Rs采樣信號(hào)被衰減，這樣當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，PWM無(wú)法將控制脈沖的占空比調(diào)大