葛笑寒

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000）

一、引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類的活動遍布全球，加速了能源消耗。汽車領(lǐng)域也發(fā)生了巨大變革，新能源汽車飛速發(fā)展，充電系統(tǒng)正在形成以“充電樁為主、充電站為輔”的充電網(wǎng)絡(luò)[1]。智能充電系統(tǒng)的智能控制器、反饋電路、驅(qū)動電路和等需要不同等級的低壓直流電源。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作，設(shè)計一種雙電壓輸出，且電壓穩(wěn)定、高精度紋波系數(shù)小的電源具有重要意義。

二、電源系統(tǒng)整體設(shè)計

隔離型電路安全可靠性高得到廣泛應(yīng)用，常見電路有推挽、半橋、全橋和單端式。由于系統(tǒng)輸出電壓低，功率不大，另外單端電路所用器件最少，且反激式成本更低、效率更高，對于批量生產(chǎn)和產(chǎn)品可靠性都有好處。因此使用單端反激電路。

（一）單端反激電路原理

電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，變壓器相當(dāng)于一組耦合的電感，起儲存電能的作用。當(dāng)開關(guān)管T1截止時，變壓器一次繞組W1所存儲的電能向二次繞組W2傳送，這時變壓器二次繞組極性下端為負(fù)、上端為正。二極管D正向?qū)?，電壓?jīng)電容濾波后向負(fù)載RL供電。當(dāng)變壓器一次繞組存儲的能量釋放到一定程度后，在柵極電壓驅(qū)動下，開關(guān)管T1導(dǎo)通，電源電壓Ui通過變壓器一次繞組W1充電。當(dāng)一次繞組側(cè)電壓升高到一定程度后，T1重新截止，又開始新一輪放電過程[2]。

圖1 單端反激電路原理圖

（二）單端反激電路系統(tǒng)構(gòu)成

如圖2所示，整體電路可分為主電路和控制電路兩部分。主電路由輸入濾波緩沖電路、DC/DC功率變換器、高頻變壓器和輸出電路四部分組成[3]?？刂齐娐肥峭ㄟ^反饋信號調(diào)整控制信號，驅(qū)動主電路正常工作。該穩(wěn)壓電源將24V電源變換為5V和3.3V輸出。技術(shù)指標(biāo)為：系統(tǒng)電源電壓為24V，兩路輸出5V/2A（1路），3.3V/1A（1路），開關(guān)頻率為50kHz，效率大于80%，輸出精度為最大5%，最大占空比45%。

圖2 單端反激電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

三、功率變換電路設(shè)計

（一）輸入回路設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)要求，電源為24V直流電。輸出為5V和3.3V電壓。根據(jù)單端反激電路工作原理，設(shè)計開關(guān)管的極限值為120V，考慮安全裕量，選擇IRF640。它屬于Vishay的第三代POWERMOSFET。采用TO-220AB封裝方式。最大電壓為200V，功耗50W符合要求。

如圖3所示，直流電壓經(jīng)R9分壓后驅(qū)動發(fā)光二極管作為輸入電源指示。開關(guān)管從飽和進(jìn)入截止瞬間，漏極電流的急劇變化會在變壓器原邊感應(yīng)出電動勢，其漏感產(chǎn)生的浪涌尖脈沖與直流輸入電壓疊加，很容易造成MOSFET擊穿。常用方法是在MOSFET漏源極之間加RC網(wǎng)絡(luò)吸收尖峰電壓。本設(shè)計采用R11，R9，C3和D1組成尖峰電壓鉗位電路。其作用是通過D1給C3充電，把電壓鉗位在安全值，通過R11，R9將吸收的浪涌尖峰電壓以熱量形式釋放掉，從而保護(hù)功率MOSFET。

圖3 輸入隔離電路原理圖

（二）輸出回路設(shè)計

如圖4和5所示，一路為高頻變壓器二次側(cè)輸出的5V電源經(jīng)過穩(wěn)壓和濾波，經(jīng)隔離芯片后進(jìn)入外圍電路板。另外添加一路3.3V電源為部分IC芯片供電，選用AMS117系列降壓芯片，最大負(fù)載電流能達(dá)到1A。

輸出整流管采用肖特基二極管，這樣可以減少損耗和噪聲干擾。對于反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：Vr＞（Ns/Np）Vinmin+Vout，DC±5V：Vr5V＞(Ns5V/Np)Vinmax+Vo5V＝15V，采用1N5819型二極管，它反向耐壓40V，額定正向電流1A，符合要求。

第一級電容的數(shù)值由下式確定：

其中：Iout是輸出側(cè)額定電流，單位為A；

Dmin最小占空比（估計值為0.3）；

V(pk-pk)是最大的輸出電壓紋波峰峰值，單位為mV。

考慮安全裕量，這里取1000μF。

對不滿足紋波要求的電壓經(jīng)二次濾波，一般情況下濾波電感選擇10μH、電容選擇0.1μF，在考慮對負(fù)載電流的抑制和紋波電壓滿足要求的前提下，輸出濾波電容器選擇100μF。

圖4 輸出5V回路電路原理圖

圖5 輸出3.3V回路電路原理圖

（三）高頻變壓器設(shè)計

在開關(guān)電源中，常用鐵氧體材料作為高頻變壓器磁芯。本設(shè)計使用國產(chǎn)鐵氧體磁芯。選用EI22材料為PC40磁芯，磁芯有效截面積Ae＝42mm2，Acw＝188mm2，Bms＝510mT，對于單端反激式電路工作時，△Bm一般取飽和磁通密度的一半，△Bm＝255mT，磁芯重量W＝9.8g。本系統(tǒng)中的功率不大，50W即滿足要求，估算輸入功率：Pin＝Pout/η＝62.5W；估算變壓器一次繞組輸入直流電壓峰值：Vinmin(DC)＝24V，考慮3倍安全裕量，Vinmax(DC)＝72V；估算輸入電流峰值：Ipk＝5.5Pout/Vinmin＝11.5A。

1.計算初級臨界電感

2.計算一次繞組最大匝數(shù)

取 N1＝20 匝

3.計算二次主繞組匝數(shù)Ns5V、Ns3.3v

VD采用肖特基二極管，典型值為0.6V

變壓器二次繞組Ns5V取6匝，Ns5V取4匝。

四、控制電路設(shè)計

系統(tǒng)采用UC3845控制芯片，如圖6所示，它是Unitrode廠商生產(chǎn)的一種單端反激式脈寬調(diào)制型觸發(fā)器[4]。采用DIP-8封裝。它具有溫度補(bǔ)償參考、高增益誤差放大器、電流取樣比較器和大電流式輸出等功能，是驅(qū)動MOSFET的理想器件。該芯片可以輸出1A的驅(qū)動電流，直接驅(qū)動功率開關(guān)管工作，而且輸出脈沖占空比可以靈活調(diào)節(jié)[5]。UC3845的性能特點表明它適用于中小容量的開關(guān)電源。本設(shè)計需要電流和電壓雙重反饋，所以要接調(diào)節(jié)器，最后合成信號接入誤差放大器的輸入側(cè)。

圖6 UC3845內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

（一）電流驅(qū)動電路設(shè)計

如圖7為UC3845的驅(qū)動電路，其中R102、C43確定了開關(guān)頻率。24V直流電源引出獨立電源經(jīng)C36和E8給UC3845供電。該芯片正常啟動電壓為16V，極限驅(qū)動電壓為20V。電源電壓為24V，經(jīng)R10和R11降壓后產(chǎn)生18V電壓作為芯片正常啟動電壓。R104，R101是為了防止脈沖電壓信號過高而損壞開關(guān)管，考慮管子正常工作和過壓能力，選擇10K電阻。從開關(guān)管源極取樣電阻得到取樣電壓后，經(jīng)過電容R98和電容C44連接至UC3845的3腳構(gòu)成前沿消音電路，也即電流反饋環(huán)。當(dāng)該電壓超過lV時，比較器輸出高電平，送到RS鎖存器的復(fù)位端，PWM輸出為低電平，使PWM的占空比減小，從而限制電感峰值電流，保證電路正常工作。若無此電路，則在開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷的瞬間，會在前端產(chǎn)生一個尖峰脈沖，此脈沖大于1V，該芯片封鎖無法工作。結(jié)合實際情況，選擇R98為1K,電容C44為1000PF。

（一）電壓反饋電路設(shè)計

圖8 UC3845反饋電路原理圖

如圖8為UC3845的反饋電路。本系統(tǒng)對5V電壓的精度要求不是很高，因此沒有采用光電耦合的阻容電路。誤差比較器(1腳)用于外部回路的補(bǔ)償，因為內(nèi)部兩個二極管壓降導(dǎo)致輸出電壓降低，故而在1腳和2腳間連接一個RC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)路補(bǔ)償。取 R103＝10k，C＝100PF。反饋輸入端(2 腳)可用于輸出回路引入電壓反饋環(huán)節(jié)，這里5V電壓經(jīng)分壓電阻后接入2腳，以監(jiān)測輸出回路過電壓。當(dāng)輸出回路電壓升高時，外部監(jiān)測電壓大于2.5V，誤差比較器輸出電壓小于2.5V，結(jié)合電流取樣比較輸入電壓，PWM輸出為低電平，使PWM的占空比減小，輸出回路電壓減小。

五、仿真與結(jié)果分析

使用MATLAB/Simulink仿真軟件建立了仿真模型。為了分析方便把電路簡化，電源使用24V直流電源，濾波電感100微法,電阻10歐姆等，采用50KHZ仿真速度極慢，采用5000HZ的脈沖信號加快仿真速度。仿真結(jié)果如圖9所示，兩路輸出均達(dá)到了要求，紋波較小。當(dāng)占空比32%時，系統(tǒng)測試電壓為4.94V和3.27W,近似達(dá)到了設(shè)計要求。

圖9 輸出仿真波形

五、結(jié)論

利用UC3845設(shè)計了一種單端反激式雙路隔離輸出的電源系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低等優(yōu)點。從系統(tǒng)構(gòu)成，輸出回路、輸入回路、控制回路和高頻變壓器等方面進(jìn)行設(shè)計分析，最后進(jìn)行了仿真，驗證了設(shè)計的可行性，為單端反激電路實踐應(yīng)用提供參考。