(福建職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建　泉州　362000)

1　引言

開關(guān)電源以節(jié)省材料、重量輕、穩(wěn)壓范圍廣、效率高、性價(jià)比高等特點(diǎn)，獲得廣泛應(yīng)用[1-2]。電流型PWM技術(shù)能對(duì)負(fù)載和輸出電壓進(jìn)行準(zhǔn)確地調(diào)整，尤其在限流能力和并聯(lián)均流能力更是有很大的突破[3-6]，在中小功率開關(guān)電源得到了推廣，Unitrode公司研究出UC3843系列電流型PWM集成芯片是開關(guān)電源的專用芯片。

2　反激電源基本原理

由于反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)成本低，可靠性高，在中小輸出功率場(chǎng)合應(yīng)用頻繁，圖1是反激變換器原理圖。其工作過程是當(dāng)開關(guān)管開通時(shí),變壓器原邊繞組上出現(xiàn)電流,并將能量?jī)?chǔ)存于原邊電感中。由于原邊繞組與副邊繞組極性相反,此時(shí)整流二極管D處于反向截止?fàn)顟B(tài),能量無法傳送到負(fù)載，負(fù)載上的電流由輸出濾波電容提供。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí),變壓器原邊繞組產(chǎn)生反向電勢(shì),此時(shí)整流二極管D處于正向?qū)顟B(tài)，儲(chǔ)存于變壓器的能量向輸出濾波電容及負(fù)載釋放。

圖1　反激變換器原理圖

反激拓?fù)渲饕腥N基本工作模式：連續(xù)工作模式、臨界工作模式、斷續(xù)工作模式。

3　電源設(shè)計(jì)指標(biāo)

電源設(shè)計(jì)為斷續(xù)工作模式，電氣指標(biāo)如下：

輸入電壓：85～264Vac

輸入頻率：47～63Hz

輸入電流：<3.6A

功率因數(shù)：PF=0.8

輸出功率：30W

輸出電壓：Vo=12V

效率：η=0.8

工作頻率：fs=80×103Hz

電壓調(diào)整率：5%(11.4～12.6V)

總輸出電流： Io=2.5A

紋波電壓：<120mV

電壓上升時(shí)間：<25ms

電壓下降時(shí)間：<25ms

4　反激電源結(jié)構(gòu)框圖與電路

反激電源結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，所設(shè)計(jì)的電路如圖3所示。電路整體由一個(gè)高頻變壓器隔離為一次側(cè)與二次側(cè)；一次側(cè)由EMI濾波，整流電路及電容濾波，RCD吸收電路，功率開關(guān)管,相關(guān)的輔助電路(啟動(dòng)電

路，欠壓保護(hù)電路，芯片的供電電路等)組成；二次側(cè)由整流管，輸出濾波電路組成；反饋網(wǎng)絡(luò)主要有TL431與光耦組成誤差放大系統(tǒng)，還有PWM控制芯片。負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)主要用于減小系統(tǒng)的靜差，使之成為一個(gè)穩(wěn)態(tài)性能好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，抗干擾能力強(qiáng)的系統(tǒng)。

圖2　反激變換器整體線路框圖

圖3　反激電源電路

5　電路關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

5.1　主功率電路[7]

(1) 高頻變壓器匝數(shù)比

設(shè)開關(guān)管工作時(shí)的最大占空比為Dmax=0.5，開關(guān)周期為T，一個(gè)周期內(nèi)的最大導(dǎo)通時(shí)間為Tonmax=Dmax×T，死區(qū)時(shí)間Td=0.1×T，輸出整流二極管正向?qū)▔航礦f=0.7V，根據(jù)伏秒平衡得

(1)

n=11.832

(2)計(jì)算變壓器的初級(jí)側(cè)勵(lì)磁電感Lp：

變壓器初級(jí)側(cè)的峰值電流Ipmax

(2)

Ipmax=1.248A

(3)

Lp=6.021×10-4H。

為了防止磁芯飽和，給予一定的余量后，Lp取值應(yīng)比計(jì)算值要大一些，取650μH。

(3)磁芯的選擇

取窗口填充系數(shù)Ko=0.2，磁芯填充系數(shù)Kc=1，最大磁通密度Bmax=0.16G，電流密度J=4×106A/m2

磁芯面積乘積AP由式(4)求得

(4)

AP=1.831×10-9m4

選擇TDK公司的磁芯，形狀為PQ2620,材質(zhì)為PC44,可以滿足設(shè)計(jì)要求，其主要參數(shù)為磁芯窗口截面積Aw=60.4mm2，磁芯有效截面積Ae=119mm2

(4)計(jì)算變壓器氣隙長(zhǎng)度Lg：

(5)

經(jīng)單位換算后得Lg=3.988×10-4m。

(5)計(jì)算變壓器初級(jí)側(cè)匝數(shù)Np1：

(6)

經(jīng)單位換算后取整得初級(jí)線圈Np1=40T。同時(shí)求得次級(jí)輸出匝數(shù)取整得Ns=4T

(6)計(jì)算偏置輸出匝數(shù)：

設(shè)偏置輸出匝數(shù)為Np2，此路輸出電壓設(shè)定為Vo1=12V,芯片供電反饋次級(jí)整流二極管的正向?qū)▔航凳荲f2=0.7V。

(7)

計(jì)算偏置輸出匝數(shù)得Np2=4T。

5.2　控制電路的設(shè)計(jì)[8]

控制電路主要是根據(jù)控制芯片UC3843對(duì)啟動(dòng)電路、反饋電路、保護(hù)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。UC3843內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4　UC3843內(nèi)部框圖

5.2.1啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

當(dāng)電源開機(jī)時(shí)，通過啟動(dòng)電阻給芯片Vcc端的電容充電，直到Vcc端的電壓達(dá)到了芯片的啟動(dòng)電壓VTH_ON，芯片才被激活，從而驅(qū)動(dòng)整個(gè)電源系統(tǒng)正常工作。本設(shè)計(jì)要求最大啟動(dòng)時(shí)間不超過3s。因從市電輸入的電壓經(jīng)啟動(dòng)電阻Rst接到UC3843的第7腳，第7腳經(jīng)濾波電容Cst接地，這樣便可以對(duì)芯片充電。參數(shù)選擇：UC3843啟動(dòng)電流約1mA,正常工作時(shí)供電電流約為30mA。啟動(dòng)電流1mA時(shí)使UC3843能正常啟動(dòng)，啟動(dòng)電阻Rst應(yīng)符合：

(8)

計(jì)算啟動(dòng)電阻Rst≤111.708kΩ。啟動(dòng)電容的容值要在10μF以上，確保可以儲(chǔ)存足夠的能量，在電壓未達(dá)到UC3843的低壓限制之前，就把電源啟動(dòng)。取Rst=60kΩ,Cst=22μF。

5.2.2反饋電路的設(shè)計(jì)

圖5為輸出電壓為12V的反饋控制電路，要保證電路可靠工作，需仔細(xì)計(jì)算選取電路參數(shù)。

圖5　反饋電路

(1)R6計(jì)算

由于TL431參考輸入端的電流一般為2μA左右，Vref=2.5V，為了防止此端電流影響分壓比和避免噪音的影響，一般取流過電阻R6的電流為參考輸入端的100倍以上，R6可由式(9)計(jì)算得到。

(9)

考慮待機(jī)功耗的要求，又R6希望大一些，R6取為10kΩ。

(2)R5計(jì)算

輸出電壓為12V，TL431的Vref=2.5V

(10)

R5取38kΩ。

(3)R3計(jì)算

由于TL431要求有不小于1mA的工作電流，假如光耦原邊沒有電流流過，并且光耦原邊二極管的導(dǎo)通壓降是Vf=1.2V。

(11)

同時(shí)考慮功耗，取R3為1kΩ。

(4)計(jì)算R1

R1的取值要保證芯片控制端取得所需的電流(假設(shè)最小電流1mA,并且PCB17A的CTR=0.8～1.6,取得低限0.8)。要求流過光二極管的最小電流。

(12)

得到IR1min=1.25×10-3A。設(shè)計(jì)TL431的陽(yáng)極與陰極之間的電壓差為2.5V，光耦原邊二極管的壓降1.2V。

(13)

R1的最大值得R1max=6.64×103Ω。光耦原邊二極管能承受的最大電流在50mA左右，TL431為100mA，所以取得過R1的電流為50mA

(14)

R1的最小值得R1min=166Ω。 要同時(shí)滿足這兩個(gè)條件，這里取R1為1K。

5.2.3保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

芯片UC3843存在過壓保護(hù)、過流保護(hù)、欠壓保護(hù)。7腳上的Vcc一旦超出它的正常工作范圍就使芯片停止工作，起到過壓保護(hù)的作用。當(dāng)電路上有出現(xiàn)過電流或者短路的情況時(shí)，電流取樣電阻Rs的電壓將增大，通過3腳反饋輸入電流比較器的同相端，此電壓大于1V使觸發(fā)器復(fù)位，芯片6腳輸出低電平，MOS管截止，起到限流保護(hù)的作用。芯片內(nèi)部比較器的反向端電壓恒定為5V，正端為變化的電壓。當(dāng)個(gè)這個(gè)電壓不斷下降小于5V時(shí)，比較器的輸出則為0，從而起到欠壓保護(hù)的功能。

5.3　關(guān)鍵器件選型

(1) 功率開關(guān)管選型

在選擇開關(guān)管的耐壓時(shí)，應(yīng)考慮在最惡劣環(huán)境下，開關(guān)管所承受的反向電壓。

(8)

計(jì)算開關(guān)管所承受的反向電壓得Vsmax=494.767V。選擇由Fairchild 生產(chǎn)的源漏極能承受500V，型號(hào)為FQPF7N80C的開關(guān)管。

(2)NTC熱敏電阻的選?。?/p>

NTC主要作用是限制開機(jī)時(shí)的浪涌電流，以免損傷破壞器件或誤動(dòng)作，主要是根據(jù)開機(jī)涌流的大小確定，可選15Ω左右。

6　性能測(cè)試

6.1　工作狀態(tài)測(cè)試

圖6波形為一次側(cè)開關(guān)管的D,S極間及G,S極間的電壓，從中可以看出反激電路的開關(guān)管能正常工作在斷續(xù)模式，符合設(shè)計(jì)高頻變壓器時(shí)的把工作模式設(shè)于斷續(xù)模式。

圖6　一次側(cè)開關(guān)管D,S間的電壓

6.2　樣機(jī)相關(guān)性能測(cè)試

對(duì)樣機(jī)進(jìn)行相關(guān)性能的測(cè)試，性能指標(biāo)如表1所示。

表1　性能指標(biāo)

從數(shù)據(jù)可以看出所設(shè)計(jì)的電源性能符合要求。

7　結(jié)論

基于UC3843設(shè)計(jì)的小功率反激電源，采用了電流環(huán)內(nèi)環(huán)，電壓環(huán)外環(huán)雙環(huán)控制。根據(jù)負(fù)載的大小控制UC3843的2腳的電壓反饋輸入，再根據(jù)輸出電壓的多少控制MOS管的導(dǎo)通時(shí)間，從而使電壓環(huán)建立。設(shè)計(jì)過程對(duì)相關(guān)的性能進(jìn)行綜合考慮，所設(shè)計(jì)電源實(shí)用性高。

[1]邢巖,蔡宣三.高頻功率開關(guān)變換技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2004.

[2]周潔敏.開關(guān)電源理論及設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[3]姚志樹.開關(guān)電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析與比較[J].電源世界,2012(10)：27-30.

[4]靳文匯,范蟠果.一種反激式開關(guān)電源變壓器改進(jìn)設(shè)計(jì)方法研究.[J].電力電子技術(shù),2009(1)：65-66.

[6]周黨培,陳業(yè)仙.一種實(shí)用的反激開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)方法[J].四川兵工學(xué)報(bào),2008(11)：102-104.

[7]彭云華,黃土榮,廖曉文,劉美.反激式開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2014(5)：113-115，+118.

[8]王正,朱興動(dòng),張六弢.UC3843控制多路輸出開關(guān)電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].航空計(jì)算技術(shù),2004(2)：92-94.