王一鳴，許頗，李翔，李雪庸

（錦浪科技股份有限公司，浙江寧波，315712）

0 引言

自20 世紀半導(dǎo)體問世以來，現(xiàn)代電力電子技術(shù)正以令人矚目的速度發(fā)展，開關(guān)電源技術(shù)也在隨之不斷革新。其中，反激式開關(guān)電源因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，具有很大的市場前景[1]。本文所設(shè)計的反激式開關(guān)電源，屬于多路輸出電源系統(tǒng)，當(dāng)負載變化時，輔路輸出電壓只能靠變壓器匝數(shù)比進行分配，而不能得到精確的反饋控制[2]。對此，本文采用增加拓撲電路的辦法來優(yōu)化交叉調(diào)整率。

1 UC2844 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳功能

UC2844 是一款高頻開關(guān)電源控制芯片，在低壓輸出領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[3]。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示，內(nèi)部電路包括欠壓鎖定（UVLO）、調(diào)整誤差放大器輸入端精度的基準電壓模塊、鎖存邏輯電路及用于實現(xiàn)限流控制的脈寬調(diào)制（PWM）比較器等。

圖1 UC2844 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

COMP 引腳既可以產(chǎn)生電流，又可以吸收電流，誤差放大器內(nèi)部是限流的，因此可以通過使COMP 接地來獲取零占空比；VFB 引腳用于誤差放大器的反向輸入，進而控制電源變換器電壓反饋電路的穩(wěn)定性；芯片的電流檢測輸入端連接PWM 比較器，在設(shè)計電路時，將ISENSE 引腳連接到MOSFET 的源極采樣電阻，PWM就可根據(jù)這個信號判斷是否關(guān)斷輸出開關(guān)，終止信號輸出，同時，可使用該引腳運行具有電壓模式控制配置的設(shè)備或添加諧波補償；RT/CT 引腳是振蕩器的定時引腳，當(dāng)工作頻率一定時，可通過在VREF 和RT/CT 之間串聯(lián)一個電阻來設(shè)置時序電容的充電電流，將RT/CT 通過時序電容接地來設(shè)置頻率；GROUND 是信號和功率反饋地，在設(shè)計電路時，應(yīng)注意將其與大電流驅(qū)動路徑區(qū)分開，從而避免信號受到干擾；OUTPUT 作為芯片的輸出引腳，可以直接驅(qū)動MOSFET，為了防止對電源和地的高阻抗產(chǎn)生過沖，應(yīng)該在輸出管腳上加一個肖特基二極管[4]；VCC 是UC2844 輸入引腳，正常工作時，通過限流電阻使VCC 通電。

2 反激式開關(guān)電源系統(tǒng)分析

本文所述開關(guān)電源的總體設(shè)計框圖如圖2 所示。電路主要由反激變換器、PWM 控制電路、電壓反饋電路及Buck電路組成。

圖2 反激變換器總體框圖

首先給芯片VCC 供電，當(dāng)芯片有輸出后，輔助繞組工作，隨后輔助繞組給芯片供電，MOS 管導(dǎo)通，輸出二極管反向截止，輸出電容給負載供電。此時的變壓器相當(dāng)于一個純電感，流過主繞組的電流線性上升并達到峰值。當(dāng)MOS管關(guān)斷時，所有繞組電壓反向，輸出二極管進入導(dǎo)通狀態(tài)，同時初級繞組儲存的能量傳送至次級，給負載和輸出電容供電。主輸出繞組連接至電壓反饋電路，通過PC817 連接至UC2844 的COMP 端，以此來不斷調(diào)節(jié)OUTPUT 的輸出占空比。除主輸出外，各繞組的變壓器輸出端接至Buck 電路，以獲取精確目標輸出電壓值。

3 單元電路設(shè)計

■3.1 反激變換器

本電源的反激變換器部分如圖3 所示。反激變換器由變壓器、MOSFET 及輸出整流濾波電路組成。其中，MOSFET在變換器中充當(dāng)開關(guān)管的作用，受芯片輸出PWM 控制。MOSFET 不斷的閉合與導(dǎo)通，從而在變壓器兩端產(chǎn)生高頻方波信號，再將該方波信號通過磁場感應(yīng)的方式傳遞給副繞組，最后通過整流濾波電路輸出。

圖3 反激變換器電路

以-12V 輸出為例，在MOSFET 閉合階段，變壓器的主繞組得到輸入電壓，電流和磁場不斷增加，儲存能量。因為此時副繞組側(cè)二極管D12受到反向電壓，不能導(dǎo)通，由電容C12、C9向負載提供能量。其中，C12用于濾低頻波，C9用于濾高頻波。在MOSFET 斷開階段，主繞組中電流為0，因為磁場下降而在副繞組中感應(yīng)到正向電壓，D12導(dǎo)通，給電容蓄能。

■3.2 PWM 控制電路

PWM 控制由芯片及其外圍電路實現(xiàn)，如圖4 所示。VCC 由輔助繞組提供電壓，進而給芯片供電。COMP用于接收反饋電路傳來的信號，來控制芯片調(diào)節(jié)輸出占空比。RT/CT 通過R20與C30產(chǎn)生晶振，其中，振蕩幅值通過VREF 產(chǎn)生。

圖4 PWM 控制電路

ISENSE 用作芯片的電流保護，為了輸入有效的信號，使用R21和C29構(gòu)成一階濾波電路，減少信號中的毛刺，并使用R18作為斜坡補償。R23為0.39Ω采樣電阻，流過MOS 管的源極電流，當(dāng)其兩端電壓超過1V時，將觸發(fā)ISENSE 引腳進入電流保護機制。

■3.3 電壓反饋電路

電壓反饋電路由可調(diào)穩(wěn)壓器TL431 及光電耦合器PC817 組成，如圖5 所示。TL431 內(nèi)部基準電壓為2.5V，通過合理選定R25、R26及R31的阻值，可使R31兩端電壓分到12V 輸出電壓中的2.5V。因此，當(dāng)變壓器主輸出減小時，R31兩端電壓也將小于2.5V，進而TL431 穩(wěn)壓值減小，導(dǎo)致PC817 中二極管電流增加，光增強，PC817 中三極管電流隨之變大，此反饋信號通過COMP 輸送至芯片，芯片即增加占空比，從而增大輸出電壓。

圖5 電壓反饋電路

■3.4 RCD 鉗位電路

R3、C3及D7、D8構(gòu)成RCD 鉗位電路，如圖6 所示。因為變壓器存在漏感，在MOS 管關(guān)斷時，會產(chǎn)生很大的尖峰電壓，RCD 鉗位電路即保護MOS 管DS 兩端不因電壓應(yīng)力過高而被擊穿。

圖6 RCD 鉗位電路

在MOS 管導(dǎo)通時，能量儲存在勵磁電感與漏感中，在MOS 管關(guān)斷時，漏感中的能量無法傳遞到副邊，此時能量通過D7、D8轉(zhuǎn)移至C3中，R3則用來吸收C3中的能量。需要注意的是，C3和R3的取值如果過小，則鉗位電壓下降很快，從而消耗變壓器能量，降低反激變換器的效率；若C3和R3的取值過大，則電壓峰值小于副邊反射電壓，R3變?yōu)樗镭撦d，從而消耗變壓器能量。在本電路中，選取R3為100k，C3 為2.2nF。

■3.5 Buck 電路

Buck 電路由電壓調(diào)節(jié)器及其周邊電路組成，如圖7 所示。以5V 輸出為例，變壓器輸出電壓為12V 左右，由于無法保證能量均衡分配，接入Buck 電路來得到穩(wěn)定的5V 輸出電壓。

圖7 5V 輸出Buck 電路

5V 輸出采用LM2596-ADJ 芯片，該芯片最高可輸入45V 電壓。如圖8 所示，當(dāng)輸入大于5V 時，芯片內(nèi)部的誤差放大器將輸入電壓與基準電壓Vref的差值放大，輸入比較器與鋸齒波進行比較[5]，相當(dāng)于減小占空比，從而達到輸出電壓為5V 的動態(tài)平衡。

圖8 LM2596穩(wěn)壓原理示意圖

該芯片為可調(diào)芯片，需要自己調(diào)節(jié)R15、R17的值，當(dāng)輸出的電壓為5V 時，電阻值可由下式得到：

其中Vref= 1.23V。

4 電路測試結(jié)果與分析

設(shè)計輸入直流電壓范圍為200V～1000V，其中5V 輸出、15V 輸出、20V 輸出及-12V 輸出分別始終帶載8.3Ω、215Ω、80Ω、70Ω，以保持3W、1W、5W 及2W 的輸出功率，12V 主輸出的輸出功率實現(xiàn)從空載到91W 之間切換。為了驗證電源工作可靠性，記錄各路輸出及MOS 管DS 極間電壓波形來觀察開關(guān)電源工作情況。

表1 為不同輸出功率下的各路變壓器輸出及Buck 電路輸出值?？梢钥闯?，隨著負載的增加，變壓器輸出會隨之增大，此時，主路輸出12V 會在誤差范圍內(nèi)稍有降低，如圖9、圖10，但只要在Buck 電路的芯片承受范圍內(nèi)，最終都可以穩(wěn)定在目標輸出值。

表1 不同負載下的各路輸出電壓值

圖9 重載下的主路輸出電壓值

圖10 重載下的變壓器各路輸出電壓值

同時，我們記錄MOS 管兩端DS 間電壓，來觀察占空比調(diào)節(jié)情況，如圖11 所示。

圖11 不同輸入電壓及帶載情況下的MOS 管兩端電壓波形對比

可以看到MOS 管工作占空比隨著負載的增加而增大，同時，漏感電壓及反射電壓有所增加，但在同一負載下，漏感電壓與反射電壓并不隨輸入電壓的變化而產(chǎn)生顯著變化。記錄數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 51W下不同輸入電壓時的MOS管情況

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一款基于UC2844 的反激式開關(guān)電源，介紹了芯片及整個電路的工作原理與參數(shù)選擇及計算方法。該系統(tǒng)以UC2844 作為PWM 控制器，搭配PC817 光電耦合器、TL431穩(wěn)壓源構(gòu)成的電壓反饋電路，可以實現(xiàn)預(yù)期指標要求，并通過實驗驗證了該開關(guān)電源具有該開關(guān)電源具有效率高、穩(wěn)壓范圍寬、功耗小等優(yōu)點。