王秋妍 鄭浩 王道平 王凱

摘 要 本文設(shè)計(jì)了一種基于UC3842芯片控制的雙路輸出反激式開(kāi)關(guān)電源，介紹了控制電路和變壓器設(shè)計(jì)，由于開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的實(shí)踐性較強(qiáng)，本文給出的方法僅作為一種參考，實(shí)際問(wèn)題則需要在實(shí)踐中不斷加以總結(jié)和完善，才能滿足要求。

【關(guān)鍵詞】開(kāi)關(guān)電源 反激式 UC3842 變壓器

開(kāi)關(guān)電源作為電源家族中重要的成員，由于其效率高、可靠性高、體積小等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為發(fā)展較快的前沿電源技術(shù)。根據(jù)轉(zhuǎn)換的形式開(kāi)關(guān)電源可以分為：AC/DC、DC/DC、DC/AC、AC/AC。其中DC/DC是基本變換器，包括3種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：Buck（降壓型）、Boost（升壓型）和Buck-boost（升降壓型）。在此基礎(chǔ)上，演變出Forward（正激式）、Fly-back（反激式）、Half-bridge converter（半橋式）、 Full-bridge converter（全橋式）、Push-pull converter（推挽式）。

由于反激式變換器具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作頻率高、輸出電壓穩(wěn)定且輸出不需要濾波電感等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于小功率、多路輸出的場(chǎng)合。

1 反激式開(kāi)關(guān)電源

反激式開(kāi)關(guān)電源因其輸出端輸出端在變壓器原邊繞組斷開(kāi)電源時(shí)才獲得能量而得名。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，反激式拓?fù)浠驹頌椋涸诿}寬調(diào)制PWM信號(hào)高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，變壓器一次側(cè)有電流流過(guò)，此時(shí)一次側(cè)存儲(chǔ)能量，而變壓器二次側(cè)感應(yīng)出與一次側(cè)反相的電壓，二極管VD反向截止，輸出由電容產(chǎn)生；在脈寬調(diào)制PWM信號(hào)為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管截止，變壓器一次側(cè)電流為零，根據(jù)電感特性，變壓器一次側(cè)將產(chǎn)生反向電壓，此時(shí)，變壓器二次側(cè)感應(yīng)出的電壓使二極管VD正向?qū)ǎM(jìn)而給電容充電并為負(fù)載提供能量。

由反激式拓?fù)錁?gòu)成的開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

由圖2所示，反激式開(kāi)關(guān)電源主要包括輸入EMI電路，整流濾波電路、功率變換電路、PWM控制電路、反饋電路、輸出整流濾波電路等。

2 開(kāi)關(guān)電源控制芯片UC3842

UC3842是一款頻率高性能、固定頻率脈寬可調(diào)的PWM控制芯片。該芯片具有如下性能特點(diǎn)：

（1）屬于電流型PWM調(diào)制器，管腳數(shù)量少，能夠通過(guò)較簡(jiǎn)單的外圍電路實(shí)現(xiàn)高效率、低成本、小體積的開(kāi)關(guān)電源。

（2）最高開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)500kHz，頻率穩(wěn)定度高達(dá)0.2%，效率高，圖騰柱式輸出電流可達(dá)1A，能夠直接驅(qū)動(dòng)N型功率MOSFET。

（3）鎖存脈寬調(diào)制，可實(shí)現(xiàn)逐周限流，進(jìn)一步提高輸出電壓的穩(wěn)定度和線性調(diào)整率。

（4）具有低啟動(dòng)和工作電流、低功耗和輸出端過(guò)流保護(hù)、欠壓鎖定功能。UC3842內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳如圖3所示。

UC3842由誤差放大器、電流檢測(cè)比較器、振蕩電路、PWM鎖存器、欠壓鎖存器、5V基準(zhǔn)電壓源和輸出驅(qū)動(dòng)電路等組成。

3 反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

3.1 開(kāi)關(guān)電源總體設(shè)計(jì)

本文將以UC3842為控制芯片，采用單端反激式拓?fù)?，設(shè)計(jì)兩路輸出電壓5V且電流分別為1A和2A的開(kāi)關(guān)電源，設(shè)計(jì)指標(biāo)如下。

輸入電壓：220±10%；輸出電壓5V/1A和5V/2A；紋波電壓：±500mV；輸出功率：15W；效率：80%；開(kāi)關(guān)頻率65KHz；占空比：小于40%。

如圖4所示，電路由輸入EMI電路，整流濾波電路、功率變換電路、PWM控制電路、反饋電路、輸出整流濾波電路等構(gòu)成。功率變換電路為反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，功率管選用IRFBC40 （600V，6A），二次整流二極管選用肖特基二極管1N5825 （40V，5A）。

由于輸入整流濾波電路和輸出整流濾波電路都有較成熟的設(shè)計(jì)思路和電路，因此，本文將重點(diǎn)介紹控制電路和變壓器設(shè)計(jì)。

3.2 控制電路

控制電路是整個(gè)開(kāi)關(guān)電源的核心，直接決定著該開(kāi)關(guān)電源的性能。如圖4所示，該控制電路采用電壓、電流雙閉環(huán)控制，即在電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)中加入峰值電流反饋控制，從而進(jìn)一步提供開(kāi)關(guān)電源的動(dòng)態(tài)特性和控制精度。

電路電壓外環(huán)采用TL431和光耦EL817構(gòu)成的誤差放大器，將此誤差放大器的輸出直接送至UC3842的1腳；電流內(nèi)環(huán)將開(kāi)關(guān)管電流經(jīng)采樣電阻R13送入U(xiǎn)C3842的3腳。這樣，誤差電壓與電流比較器同相輸入端進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)輸出脈沖的寬度。

電路的工作頻率由電阻R12和電容C11確定，根據(jù)

和定時(shí)電阻與振蕩器頻率關(guān)系曲線（可查閱UC3842數(shù)據(jù)手冊(cè)）可知，在C11取2200pF時(shí)，R12可取10KΩ左右，本設(shè)計(jì)為12KΩ，則開(kāi)關(guān)頻率為65KHz。

為了減小由MOSFET輸入電容和在柵—源電路中的任何串聯(lián)引線電感所產(chǎn)生的高頻寄生振蕩，在PWM輸出信號(hào)與MOSFET柵極間串聯(lián)電阻R7。電容C6、C7、C8減少了控制芯片電源和參考電源的噪聲。

控制電路的控制信號(hào)取決于反饋回來(lái)的采樣信號(hào)。本設(shè)計(jì)電壓反饋電路采用TL431和光耦EL817構(gòu)成的誤差放大器，如圖4所示。雖然控制芯片UC3842內(nèi)部含有誤差放大器，但是在隔離拓?fù)涞臈l件下，本設(shè)計(jì)采用光耦器件來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出反饋信號(hào)和輸入信號(hào)的隔離。同時(shí)，考慮到如果將此光耦與TL431構(gòu)成誤差放大電路，不僅可以實(shí)現(xiàn)隔離，而且將該輸出直接作為UC3842內(nèi)部誤差放大器輸出，可以減小電壓反饋采樣時(shí)間，提高開(kāi)關(guān)電源的控制精度。正因?yàn)檫@樣的電壓反饋電路，UC3842內(nèi)部誤差放大器反相輸入端2腳接地。

電流內(nèi)環(huán)將開(kāi)關(guān)管電流經(jīng)采樣電阻R13轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)送入U(xiǎn)C3842的3腳，該采樣電阻流過(guò)電流較大，因次，必須考慮其功率問(wèn)題。由于高頻變壓器匝間電容和輸出整流二極管恢復(fù)時(shí)間會(huì)使MOSFET開(kāi)關(guān)管電流產(chǎn)生尖脈沖，因此，本設(shè)計(jì)增加R11C10濾波消除電流波形前沿尖脈沖產(chǎn)生的不穩(wěn)定因素。

3.3 高頻變壓器

3.3.1 選擇磁芯

本設(shè)計(jì)采用面積乘積法選取磁芯參數(shù)，面積乘積法又稱AP法，AP值表示磁芯有效截面積與窗口面積的乘積值。

AP的計(jì)算公式為：

式中AP：磁芯面積乘積（A/cm2） ；Ae：磁芯有效截面積（cm2）；Aw：磁芯窗口面積（cm2）。現(xiàn)已知Po=15W，η=80%，Dmax=0.36；窗口面積利用系數(shù)Kw的取值介于0.2到0.4之間，這里我們?nèi)w=0.3；電流密度J取值范圍為200～600 A/cm2，本設(shè)計(jì)中取J=400 A/cm2；最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm一般取0.1～0.3T之間，這里取Bm=0.2T；在220V輸入時(shí)，電流脈動(dòng)系數(shù)Krp一般取0.6到1之間，這里取Krp=0.7。將這些參數(shù)帶入公式得：

利用我們計(jì)算得到的AP值，考慮到磁芯損耗等諸多因素，本設(shè)計(jì)選擇AP值更大一些的PQ26/25。

3.3.2 一次側(cè)參數(shù)

計(jì)算出一次側(cè)導(dǎo)線線徑后，根據(jù)初級(jí)峰值電流、有效值電流和匝比確定次級(jí)繞組峰值電流和有效值電流，再計(jì)算出次級(jí)繞組線徑。

據(jù)此求出各繞組的峰值電流，進(jìn)而得到各繞組的線徑。

變壓器的設(shè)計(jì)是反激式開(kāi)關(guān)電源的難點(diǎn)所在。除了理論分析和計(jì)算之外，需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)一些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)來(lái)進(jìn)行變壓器的調(diào)試，更多時(shí)候需要實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和理論設(shè)計(jì)兩者相互結(jié)合。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種利用UC3842芯片控制的雙路輸出反激式開(kāi)關(guān)電源，經(jīng)過(guò)測(cè)試，芯片驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形正常，兩路輸出電壓分別為4.91V和5.11V，電壓紋波小于500mV。由于反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)其實(shí)踐性很強(qiáng)，本文給出的方法僅作為一種參考，許多實(shí)際問(wèn)題需要在實(shí)踐中不斷加以總結(jié)和完善，才能滿足實(shí)際要求。

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作者簡(jiǎn)介

王秋妍（1978-），女，陜西省綏德縣人。講師，主要從事電工電子教學(xué)和研究。

作者單位

火箭軍工程大學(xué)理學(xué)院 陜西省西安市 710025