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        儀器儀表專用反激式高頻開關(guān)電源的研制

        2012-06-29 04:57:32朱金芳卜樹坡
        電源技術(shù) 2012年3期
        關(guān)鍵詞:場效應(yīng)管單端波形

        朱金芳, 卜樹坡

        (1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系,浙江 紹興 312000;2.黑龍江科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150027)

        隨著電力電子器件的飛速發(fā)展,開關(guān)電源正向著小型化、輕型化、集成化的方向發(fā)展,在儀器儀表上開關(guān)電源表現(xiàn)得更加突出。早期的開關(guān)電源大多采用電壓型脈寬調(diào)制技術(shù),而隨著電流型脈寬調(diào)制技術(shù)的發(fā)展,其在負載響應(yīng)和線性調(diào)整度等方面性能更優(yōu),目前的中小功率開關(guān)電源更多采用電流控制模式。電流控制型開關(guān)電源的主要組成部分是反激式直流變換器。反激變換器具有電路簡單、成本低、輸入輸出電氣隔離、穩(wěn)壓范圍寬、易于多路輸出等優(yōu)點[1]。

        本文介紹了一款基于UC3842集成電路的65 W反激式高頻開關(guān)電源的整機電路設(shè)計。TI UC3842是一種電流控制方式的脈寬調(diào)制集成電路。采用UC3842設(shè)計中低功率開關(guān)電源,可使整機電路結(jié)構(gòu)簡單,并具有安裝調(diào)試簡便、成本低、體積小等優(yōu)點[2-3]。

        1 總體設(shè)計方案

        1.1 設(shè)計要求

        該電源主要應(yīng)用于醫(yī)療、通訊、交通等領(lǐng)域的儀器儀表上,由于其應(yīng)用場合的特殊性與重要性,電源應(yīng)滿足性能優(yōu)越且穩(wěn)定可靠,在保證良好輸入輸出性能的同時,盡量地減小體積,簡化結(jié)構(gòu),提高集成度。

        1.2 UC3842 PWM集成控制器

        單端反激式電源一般由PWM控制芯片、功率開關(guān)管和高頻反激變壓器組成,但反饋控制回路設(shè)計和變壓器設(shè)計要求較高。采用PWM控制器和MOSFET功率開關(guān)一體化的集成控制芯片是新一代開關(guān)電源設(shè)計的重要特點和趨勢。

        開關(guān)電源主要由主回路和控制回路兩大部分組成。主回路是將交流電網(wǎng)的電能傳遞給負載電路,控制電路則是按輸入輸出條件控制主回路工作狀態(tài)的電路,將控制回路集成化即成為開關(guān)電源集成控制器。

        開關(guān)電源集成控制器一般采用脈寬調(diào)制型(PWM)。PWM早期多為電壓型,缺點是瞬態(tài)響應(yīng)不好,國外最新生產(chǎn)的電流型控制器,其特點和功能均優(yōu)于電壓型控制器。

        UC3842是新型單端隔離電流型PWM集成控制器,圖1為UC3842的內(nèi)部電路框圖。UC3842的主要性能是:內(nèi)有可調(diào)整的充放電震蕩電路,可精確地控制占空比。振蕩器的工作頻率由引腳4外接的定時電容和電阻確定。采用電流操作,可在500 kHz下工作。內(nèi)有5 V精密基準電壓,具有完備的欠壓、過壓及過流保護。啟動電壓閾值為10 V,6 V啟動與關(guān)閉電壓差值可有效地防止電路在閾值電壓附近工作時產(chǎn)生振蕩。利用輸入端設(shè)置的34 V穩(wěn)壓管能有效地防止高壓造成的損壞。電流傳感和限制電路簡單靈敏,可采用回路接電阻或電流互感器對電流取樣送至引腳3,當3腳電壓低于3 V時,脈寬調(diào)制器處于正常工作狀態(tài),當3腳電壓等于或高于1 V時,電流傳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,下一個時鐘脈沖列將使PWM鎖存器自動復(fù)位。PWM鎖存器的作用是保證每一個振蕩周期僅出現(xiàn)一個控制脈沖,可有效防止噪聲干擾。輸出平均電流為200 mA,最大電流可達1 A。

        圖1 UC3842內(nèi)部電路框圖

        1.3 65 W反激式高頻開關(guān)電源的電路設(shè)計與分析

        在高頻開關(guān)電源功率轉(zhuǎn)換電路中,單端變換器與雙端變換器的本質(zhì)區(qū)別在于:單端變換器的高頻變壓器磁心只工作在第一象限(即處于磁滯回線的一邊)。單端變換器有單端正激式變換器和單端反激式變換器兩種類型。在電源功率等級低于75 W時,適合采用反激式變換器[4-8]。

        由UC3842組成的65 W反激式高頻開關(guān)電源的整機電路如圖2所示。

        圖2 65 W反激式高頻開關(guān)電源整機電路

        開關(guān)電源電路中,C301、C302組成共振濾波電路,用于濾除差模干擾,可濾除兩電源線間的非對稱共模干擾。LF101和LF102用于衰減共模干擾。RTH101為熱敏電阻,其冷電阻很小,熱電阻則較大。C103用于濾除二頻調(diào)制干擾,與變壓器T1初級繞阻N1并聯(lián)的R102和C104以及與場效應(yīng)管Q101并聯(lián)的C105和R103都是用于濾除反向尖峰電壓。

        交流220 V電壓經(jīng)整流濾波變成300 V左右的直流電壓,直接啟動UC3842和開關(guān)電源工作。開關(guān)電源開始工作后,反饋繞阻上的感應(yīng)電壓經(jīng)整流后再向UC3842電路供電。在振蕩器所產(chǎn)生脈沖的控制下,當控制脈沖為上升沿時,該脈沖信號由UC3842的6腳輸出,經(jīng)過R109為開關(guān)功率管Q101提供柵極偏流,使場效應(yīng)管Q101導(dǎo)通,變壓器T1蓄積能量,通過電容C202,C203給負載供電;當控制脈沖為下降沿時,場效應(yīng)管Q101的柵極電壓下降,漏極電流減小,Q101迅速截止,直到下一個脈沖從上升沿來到時,Q101才重新導(dǎo)通,如此周而復(fù)始,感應(yīng)電勢向電容C202、C203和負載供電。反饋繞阻產(chǎn)生的電壓經(jīng)整流濾波后為UC3842提供工作電壓和取樣電壓。變壓器T1的輸出繞阻則產(chǎn)生輸出負載電壓。由于開關(guān)功率管Q101和肖特基二極管Q201的導(dǎo)通狀態(tài)是相反的,因此本開關(guān)電源是一種反激式變壓器隔離型開關(guān)電源。R104為開關(guān)功率管Q101的漏極電流檢測電阻,檢測電流轉(zhuǎn)換為相反的電壓,該電壓經(jīng)R106和C106構(gòu)成的濾波器濾波后送至UC3842的3腳。此信號與芯片內(nèi)誤差放大器輸出信號送至PWM比較器的兩個輸入端,產(chǎn)生調(diào)制脈沖。

        1.4 保護電路

        該電路的保護原理如下:因某種原因引起過大電流,開關(guān)功率管Q101的漏極電流將增加很多。R104上的電壓增加,3腳的正常電壓為0.3 V,當3腳電壓增加到超過1 V時,UC3842片內(nèi)的PWM比較器輸出高電平,使PWM鎖存器復(fù)位,關(guān)閉輸出,6腳無輸出電壓,Q101截止,從而保護了電路。若輸入交流電壓超過規(guī)定值,UC3842無法調(diào)節(jié)占空比,變壓器繞阻電壓增大,引起UC3842的7腳電壓增高,則2腳電壓隨之增高,從而關(guān)閉輸出。如果輸入交流電壓低于規(guī)定值,UC3842的1腳電壓降低,正常時為3.4 V,當1腳電壓降到1 V以下時,片內(nèi)PWM比較器輸出高電平,使PWM鎖存器復(fù)位,關(guān)閉輸出,從而起到了電路保護作用。

        1.5 整機特性參數(shù)

        (1)輸入特征

        額定電壓為輸入交流電壓200~240 V;輸入電壓范圍為176~264 V;額定頻率為單相交流電源50 Hz或60 Hz;電源工作頻率應(yīng)為47~63 Hz;沖擊電流為輸入220 V/50 Hz交流電,負載最大且在25℃冷啟動時,沖擊電流應(yīng)小于70 A;穩(wěn)定交流電流為在220 V/50 Hz輸入時進行測量,額定負載時最大穩(wěn)態(tài)輸入電流應(yīng)小于0.8 A;輸入220 V/50 Hz電壓時進行測量,空載時輸入功率應(yīng)小于4.5 W;在220 V/50 Hz輸入時對效率進行測量,在額定負載時包括電纜損失效率至少應(yīng)為80%;功率因數(shù)校正是在220 V/50 Hz輸入時功率因數(shù)應(yīng)校正成大于0.4 W;線性調(diào)整率為±1%;負載調(diào)整率為±1%。

        (2)輸出特征

        額定輸出電壓應(yīng)約為24 V;電源可在規(guī)定條件下連續(xù)提供65 W的輸出功率;輸出電流為0~2.7 A;輸入交流電壓220 V時能輸出峰值負載電流5 A持續(xù)1 s;輸出紋波和噪音為輸出紋波噪聲小于峰值(240 mV);在規(guī)定工作條件下電源是絕對穩(wěn)定的;輸出保持時間是在電源開關(guān)斷開后,仍能保持恒定輸出電壓的時間應(yīng)大于20 ms;當輸出端子發(fā)生短路時,電源的輸入功率應(yīng)小于6 W;過電壓范圍為27~32 V;過電流范圍為8~12 A。

        2 實驗結(jié)果

        通過樣機實驗,圖3給出了滿載和輕載時開關(guān)管的工作波形,可以看出開關(guān)電源在輸入一定、輸入突變、輸出額定三種情況下,滿載和輕載的性能良好。

        圖3 不同條件下場效應(yīng)管Q101的工作波形

        為了測試該開關(guān)電源的工作狀況,通過樣機實驗,測試了不同輸入電壓(包括輸入電壓突變)工況下的整機性能。實驗結(jié)果如下:(1)輸入220 V輸出額定時,場效應(yīng)管Q101的工作波形如圖3(a)所示。開關(guān)電源在額定負載時工作穩(wěn)定,滿載性能良好;(2)輸入220 V輸出20%時,場效應(yīng)管Q101的工作波形如圖3(b)所示。開關(guān)電源在輕載時,仍能保持穩(wěn)定工作,輕載性能優(yōu)越;(3)輸入突變(200~240 V)在額定負載時,場效應(yīng)管Q101的工作波形如圖3(c)所示。開關(guān)電源的滿載特性能承受輸入電壓突變時的考驗;(4)輸入突變(200~240 V)在輸出20%時,場效應(yīng)管Q101的工作波形如圖3(d)所示。開關(guān)電源的輕載特性同樣能承受輸入電壓突變時的考驗;(5)輸入200 V輸出額定時,開關(guān)電源的保持時間如圖3(e)所示。開關(guān)電源的滿載保持時間大于20 ms,符合設(shè)計要求;(6)輸入突變 (200~240 V)在輸出20%時,場效應(yīng)管Q101的工作波形如圖3(f)所示。開關(guān)電源的輕載保持時間大于20 ms,符合設(shè)計要求。

        3 結(jié)論

        本設(shè)計以電流型PWM控制芯片UC3842為核心搭建的反激式高頻開關(guān)電源為研究對象,通過觀察和分析不同輸入輸出情況下滿載和輕載的工作波形,說明電源性能優(yōu)越且穩(wěn)定可靠,能夠滿足儀器儀表的需要,具有很好的應(yīng)用前景。

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