廣州華夏職業(yè)學(xué)院 劉學(xué)文 崔亞楠 邱志興

反激式開關(guān)電源由于其設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、體積小，在很多的領(lǐng)域尤其是家電領(lǐng)域應(yīng)用的非常廣泛。另外反激式開關(guān)電源有較寬的電壓占空比調(diào)幅，并且信號放大器的增益和動態(tài)范圍較小，進(jìn)過改進(jìn)設(shè)計非常適合于工業(yè)控制設(shè)備中小功率開關(guān)電源。本文就將反激式開關(guān)電源應(yīng)用于運動控制系統(tǒng)中的視覺設(shè)備，對其進(jìn)行穩(wěn)定的供電。

反激型電路的結(jié)構(gòu)簡單，元件數(shù)少，因此成本低，廣泛應(yīng)用于各種功率為數(shù)瓦～數(shù)十瓦的小功率開關(guān)電源，在各種家電、計算機設(shè)備、工業(yè)設(shè)備中廣泛使用的小功率開關(guān)電源中基本上都采用的是反激型電路。反激型電路中的變壓器在工作中總是經(jīng)歷著儲能—放電的過程，工作點僅處于磁化曲線平面的第一象限，利用率低，而且開關(guān)元件承受的電流峰值很大，不合適用于較大功率的電源。

1 硬件設(shè)計

一個完整的大功率電源一般由以下部分組成：主電路、輔助電源電路、控制電路、驅(qū)動電路、采樣電路。輔助電源給控制電路、驅(qū)動電路、采樣電路提供穩(wěn)定的電源。這類電源的電壓等級小于20V、功率小于10W，當(dāng)輸入是市電220V時，可以看出輸入輸出壓差巨大，且功率不超過10W，所以采用反激電源來設(shè)計輔助電源電路。采用UC3843的PWM控制芯片進(jìn)行設(shè)計。UC3843是一款采用峰值電流模式控制的集成PWM控制器，專門用于構(gòu)成正激型和反激型等開關(guān)電源的控制電路。基于UC3843的反激原題圖如圖1所示。

圖1 基于UC3843的反激原題圖

本文采用成熟的國產(chǎn)DK112芯片，具體的產(chǎn)品設(shè)計圖如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品設(shè)計圖

反激式電源設(shè)計所用到的器件及其作用。（1）方形保險絲：防爆防阻燃、體積?。ㄟ€有圓形）。（2）安規(guī)電容：電容失效后，不會導(dǎo)致電擊，不危及人身安全的電容器，X電容：輸入線兩端，即火線與零線之間。采用塑封的方形高壓CBB電容nF。Y(Y1或者Y2)：火線到地線之間。零線到地線之間。高壓瓷片電容nF。Y電容用在隔離式開關(guān)電源（離線：即不共地）初級與次級地，是為了給次級共模電流提供一個回路到初級，減小共模電流對輸出的影響。（3）共模電感的選擇：依據(jù)電感和電流。（4）RCD電容的選擇：CBB（聚丙烯電容），瓷片電容，MLCC(多層陶瓷電容)，RCD鉗位電路，目的是消耗漏感能量，鉗位電壓是反射電壓。TL431兩端接RC，補償作用。（5）光耦輸入端并聯(lián)電阻。分壓大于輸入端LED的分壓，小于其極限值。提供工作電流（占空比大時）、反接保護(hù)作用。（6）UC3843電流反饋電阻，依據(jù)功率了設(shè)定。

2 變壓器各參數(shù)的設(shè)計與計算

參考芯片手冊對DK112反激電源進(jìn)行重新布線與實驗。根據(jù)項目要求的參數(shù)重新設(shè)計變壓器。系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)為：輸入AC85V-265V，輸出DC12V/1A，開關(guān)頻率65kHZ。

2.1 確定反射電壓VOR

反射電壓的定義為開關(guān)管關(guān)斷時，副邊折算到原邊的電壓。根據(jù)芯片手冊選取為100V。

2.2 確定匝比

輸出電壓考慮線路壓降及二極管壓降，輸出電壓為12V+1V=13V，由變壓器原題知匝比為：

2.3 理論上最大占空比

輸入最低電壓時取得最大占空比。整流后最低電壓為：

考慮整流損耗：

根據(jù)伏秒平衡原理知：

考慮到效率，最大占空比取0.5。

2.4 磁芯的選擇

電源效率取0.8，輸出功率12W，則輸入功率為15W。簡單查表可知選用EE19較為合適。

2.5 計算匝數(shù)

原邊匝數(shù)為：

其中交變的磁場取0.2T。

副邊匝數(shù)為：

2.6 計算原邊電感量

2.7 線徑的選擇

反激電源0設(shè)計工作于連續(xù)模式，紋波r取0.5，電流密度取J=4A/mm2。

3 實驗驗證結(jié)果

采用普通繞法繞制變壓器，副邊側(cè)采用多股并繞以減小集膚效應(yīng)。完成之后實際測得原邊電感量1.3mH、副邊電感量30uH。將自己繞制的變壓器接入模塊中，電路正常工作?？蛰d狀態(tài)下，輸出電壓平均值等于12.2V，存在振鈴，峰值達(dá)0.36V，電壓波形和紋波波形如圖3所示。

12W滿載時，輸出電壓平均值等于12.1V，存在振鈴，峰值達(dá)0.26V。電壓波形和紋波波形如圖4所示。

圖4 12W滿載時電壓波形和紋波波形

在設(shè)計調(diào)試反激式開關(guān)電源時，發(fā)現(xiàn)電感嘯叫，且效率偏低。后期經(jīng)過調(diào)試發(fā)現(xiàn)，電感嘯叫是由于進(jìn)反饋端口的電容用的太大使占空比輸出異常所導(dǎo)致。經(jīng)過改進(jìn)設(shè)計重新制作后，解決了上述問題，但效率依然偏低。在實驗中，發(fā)現(xiàn)只要一上電（電壓大于AC50V），芯片就燒壞，經(jīng)過問題的排查，發(fā)現(xiàn)是繞制的變壓器各參數(shù)的設(shè)定不是很合理，于是通過計算與仿真分析找到合理的變壓器參數(shù)，最終達(dá)到了輸入AC100V-265V，輸出DC12V/1A，輸出紋波小于5%，效率80%以上的設(shè)計指標(biāo)。