反激式穩壓開關電源的制作方法

本實用新型涉及一種電子電源技術，尤其涉及一種反激式穩壓開關電源。

背景技術：

隨著信息化社會的日新月異，電子設備被廣泛應用在各種領域中，不僅發展速度之快令人驚奇，而且其應用范圍也日益廣闊。其中最具代表性為處理醫療設備的微弱信號、信息處理設備以及通信設備、工業生產各個領域各種電機的交直流調速、材料加工領域中各個加熱電源的能量輸出控制等。如此發展的結果，使此類電子設置的研究逐漸受到重視。隨著對技術要求越來越高，以電壓驅動的各種全控型高頻大功率器件及其功率模塊也逐漸出現。經過電源變換技術再應用的電能已經達到全部電能的90％，凡是有電子設備的場合都要用到電源設備，小到家用電器、便攜設備，大到工農業生產、軍事工程等。開關電源在很多方面都具有優勢，應用范圍也日趨廣泛，它讓電子設備體積小、重量輕、節省電能得到了有效實現。且單端反激式變換器電路拓撲簡單，輸入輸出二者電氣相隔離，有較寬的升降范圍，具有高可靠性。本文從一種單端輸出式的高性能芯片UC3842入手，著重論述了它在單端反激式開關穩壓電源中的應用，具體分析了整個設計的電源電路，并詳細計算了相關電路的核心部件變壓器的參數。

開關電源的工作原理：開關穩壓電源簡稱開關電源，它是指起電壓調整作用的器件始終以開關方式工作的直流穩壓電源。它具有良好的電壓調整作用，通常采用功率半導體器件來作為控制開關，整個輸出電壓的調整是由對開關管輸出脈沖信號的控制的占空比來實現。圖1是開關式穩壓電源的基本電路框圖。工作流程是：交流電壓經整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動成份的直流電壓，該電壓進人高頻變換器被轉換成所需電壓值的方波，最后再將這個方波電壓經整流濾波變為所需要的直流電壓。系統電路主要由整流濾波、高頻變換器、調整方波整流濾波、取樣器、比較器、脈寬調制、比較器、取樣器、振蕩器、基準電壓等構成，其中脈寬調制由振蕩器來調制，比較器是由基準電壓來調控。這部分電路目前已集成化，制成了各種開關電源用集成電路。開關電源的控制電路的作用是用來調整高頻開關元件的開關時間比例，通過調整這個開關時間比例來可以實現輸出電壓穩定。

圖1的傳統開關電源存在開關噪聲干擾是開關電源的主要缺點。因為開關器件總是工作在開關狀態，這樣一些尖峰、諧振干擾就會由于交流電壓和電流會通過電路中的其他元器件產生。這些干擾不僅會對正常工作產生很大的負面影響，還會干擾其他電子設備。因此必須采取適當的措施對這些干擾進行抑制消除。因此，設計開關電源的時候采取恰當的措施來抑制屏蔽干擾是至關重要的。

技術實現要素：

本實用新型的目的就在于為了解決上述問題而提供一種反激式穩壓開關電源。

本實用新型通過以下技術方案來實現上述目的：

本實用新型包括PFC濾波模塊、FUSE模塊、高壓整流濾波模塊、開關變壓器、RCD箝位、低壓整流濾波模塊、短路保護模塊、PWM芯片、開關管和取樣反饋電路，交流電源通過FUSE模塊與所述PFC濾波模塊的輸入端連接，PFC濾波模塊的輸出端通過高壓整流濾波模塊與開關變壓器的輸入端連接，開關變壓器同時與RCD箝位和低壓整流濾波模塊的輸入端連接，低壓整流濾波模塊的輸出端與短路保護模塊連接，所述短路保護模塊的輸出端為反激式穩壓開關電源的輸出端，所述短路保護模塊的輸出端與所述取樣反饋電路的信號輸入端連接，所述取樣反饋電路的信號輸出端與所述PWM芯片的信號輸入端連接，所述PWM芯片與所述開關管連接。

本實用新型的有益效果在于：

本實用新型是一種反激式穩壓開關電源，與現有技術相比，本實用新型基于電壓型PWM集成控制器UC3842設計并制作出單端反激式電源。中運用脈寬調制(PWM)基本原理,采用UC3842作為控制核心器件，以場效應管作為開關管來構成設計的主體。具體分析了整個電路的工作原理，對設計相關參數進行了計算推導，并通過試驗結果驗證了該開關電源具有電壓調整的特點，并且效率高，是一種性能良好的開關電源，具有推廣使用的價值。

附圖說明

圖1是傳統開關電源的結構原理框圖；

圖2是本實用新型的結構原理框圖；

圖3是本實用新型的PWM芯片中UC3842引腳圖；

圖4是本實用新型的UC3842內部結構框圖；

圖5是本實用新型的啟動UC3842細節圖；

圖6是本實用新型的UC3842引腳6連接圖；

圖7是圖4中電流測定比較器TL431的通斷電路原理圖；

圖8是本實用新型的MOS管的通斷電路圖；

圖9是本實用新型的電路拓補結構圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型作進一步說明：

如圖2所示：包括PFC濾波模塊、FUSE模塊、高壓整流濾波模塊、開關變壓器、RCD箝位、低壓整流濾波模塊、短路保護模塊、PWM芯片、開關管和取樣反饋電路，交流電源通過FUSE模塊與所述PFC濾波模塊的輸入端連接，PFC濾波模塊的輸出端通過高壓整流濾波模塊與開關變壓器的輸入端連接，開關變壓器同時與RCD箝位和低壓整流濾波模塊的輸入端連接，低壓整流濾波模塊的輸出端與短路保護模塊連接，所述短路保護模塊的輸出端為反激式穩壓開關電源的輸出端，所述短路保護模塊的輸出端與所述取樣反饋電路的信號輸入端連接，所述取樣反饋電路的信號輸出端與所述PWM芯片的信號輸入端連接，所述PWM芯片與所述開關管連接。

相比于相控整流電源，開關電源性能更加優異。開關電源在輸出直流電壓較高時仍能可靠工作，憑借開關電源的可靠性高在各方面應用廣泛。在基于元器件及生產工藝因素良好的情況下，開關電源的主電路拓撲結構和控制方法是決定其可靠性的關鍵。在本設計系統中，先結合系統的設計技術參數確定系統的主電路拓撲并設計出完善的主電路，再對濾波、整流和保護控制等部分作相關的設計。

實現本實用新型的系統總方框圖如圖2所示:其中，PWM芯片是設計中的核心元件,本實用新型采用UC3842作為寬度脈沖調制的產生和控制器件。同時開關變壓器的設計以及主電路的元件參數也是設計的重中之重。

采用電壓模式控制PWM

20世紀60年代后期開始興起電壓模式控制PWM。這種方法具體是與一些必要的過電流保護相結合，配合使用者的要求進行具體的電路設計。因其良好的工作特性，在工業界沿用至今。電壓模式控制具體指的是：根據脈沖寬度調整原理，將恒定頻率的三角波上的斜波與電壓誤差放大器采樣放大的慢變化的直流信號相比較，得到相應的脈沖寬度，同時必須另外附加逐個脈沖的限流保護電路。

電壓模式控制主要有五個優點。第一點是脈沖寬度調制的三角波幅值較大，調節時能夠有效抗噪聲；第二點是電壓模式控制時占空比調節不受限制；第三點是電壓模式控制的電路中多路輸出各電源之間具有良好的調節效應；第四點是電壓模式控制采用一個反饋電壓閉環設計，調試方便；第五點是即便出現輸出負載的變化較大的情況，電壓模式控制的電路也能很好的進行響應調節。

由UC3842構成的單端反激式開關電源

功率場效應管(MOSFET)簡介

20世紀70年代的后期，通過科學家們刻苦專研，功率場效晶體管開始進入人們的視線，把它用于生產生活中。經過十幾年的使用經驗，人們為了改善相關的性能，開始做大量的科學研究，主要是針對消除寄生效應、降低器件的導通電阻、擴大電壓和電流容量以及集成化的驅動電路方面，通過這些研究取得了很大的進展，為今后的晶體管發展做出了巨大貢獻。在電力電子器件中，MOSFET種類多樣并且結構繁雜，按其導電溝道不同可分為P、N溝道兩類，其中又有耗盡型和增強型。耗盡型是指當柵極電壓為零時，導電溝道存在于漏源極之間；增強型是指:對于N(P)溝道器件，當柵極電壓大于(小于)零時，存在導電溝道.在電力電子器件中N溝道增強型器件是主要的MOSFET。

功率場效應管也叫電力場效應晶體管，它是一種單極型的由電壓控制的電力電子器件。其特點有：驅動功率小,開關速度高、具有自關斷能力、無二次擊穿、安全工作區寬等。由于功率場效應管易于驅動并且開關頻率可高達1MHz，因此特別適于高頻化的電力電子裝置。在各種開關電源、DC/DC變換器、各種通信乃至家用電器設備中得到了廣泛的應用，可以說我們的一舉一動都有它的貢獻。它局限用于小功率的電力電子裝置的原因是電流、熱容量小且耐壓低。

漏極D、源極S和柵極G是電力場效應晶體管的3個端子。管子處于截止狀態時溝道不導電，此時電源正極接漏極、電源負接極源極，且柵極和源極之間電壓為零。管子處于開通狀態時漏、源極之間有電流流過，此時是在源極和柵極之間加一正向電壓，并使該正向電壓大于或者等于管子的開啟電壓。如果正向電壓超過開啟電壓越大，漏極電流和導電能力也相應越大。

因為功率場效應管一般采用單極性多子導電，所以開關時間很短，又因其很容易達到1MHz的開關工作頻率而備受關注。但是在我們生活中只有中小功率器件里存在，原因是功率場效應管提高器件阻斷電壓時必須要加寬器件的漂移區，這樣使得器件的內阻和通態損耗都隨之顯著增大。

UC3842概述

UC3842是國內應用比較廣泛的一種電源集成控制器，是由尤尼創(Unitrode)公司開發的新型控制器件。其最大占空比可達100％，并且它的輸出頻率與振蕩頻率相等，在各種單端反激式變換器很常見，且輸出功率低于100W。UC3842集成芯片采用單一電源供電，單路調制輸出，且帶電流進行正向補償。根據它的性質我們可以判別它主要用于高頻中小容量的開關電源。傳統離線式反激變換器電路就是由它構成。在驅動隔離輸出單端開關時，想要通過控制PWM序列的占空比來達到電路穩定的目的，一般采用的方法是：將內部2.5V基準誤差與比較器的反向輸入端通過反饋繞組經由電阻分壓得到的信號相比較，將電流采樣電壓及PI補償網絡二者與誤差比較器的輸出端相比較。

8腳雙列直插是UC3842的封裝形式，具體管腳排列如圖3所示。各引腳功能如下。1腳(COMP)是補償腳，誤差放大器的頻率特性就靠此腳外接阻容元件用來補償；2腳(UFB)作為誤差放大器的反相輸入端；3腳(ISEN)是電流檢測端，此腳用來接收通過檢測電阻流過開關管的電源轉換的電壓信號，用它來調整輸出電壓并控制PWM鎖存器；4腳(RT/CT)是振蕩器腳，用于外接定時元件RT,CT；5腳(GND)是接地腳，此腳是控制電路和電源電路的公共接地端；6腳(OUT)是輸出腳，此腳是直接驅動功率場效應管柵極的推挽輸出放大器的圖騰柱式輸出端，最大可有1A的驅動峰值電流，輸出13.5V的高電平，輸出1.5V的低電平；7腳(Vcc)是用于電源的輸出的引腳，此腳外接電源電壓，要保證內部工作在34V范圍內，UC3842要有10V的關斷電壓、16V的開啟電壓，34V的內部的穩壓管電壓，UC3842的內部電源是由經內部基準電壓電路的作用產生的5V基準電壓提供，內部比較器的基準電壓由經過衰減得到2.5V電壓提供；8腳(VREF)是基準電壓輸出腳，用于參考電壓的輸出。電容Cr的充電電流正是由此腳通過電阻Rf提供。

UC3843是專門為離線式開關電源和DC/DC變換器應用而設計的芯片，它的優點是：外圍電路簡單，安裝與調試方便，價格低廉，管腳數量少，性能優良。有高達500KHz的工作頻率，小于1mA的啟動電流，15mA的正常工作電流，可達0.01％的電壓調整率。它適用于無工頻變壓器的20-80W的小功率開關電源的主要原因是它利用高頻變壓器來與電網隔離，此芯片的限定工作溫度為0-70度范圍內，它允許的最高輸入電壓為30V，允許的最大輸出電流為1A。

該芯片電路開關頻率可調節、可電流和電壓反饋雙環控制、負載調整率和電壓調整均較高。主要是由PWM鎖存器電路、圖騰柱輸出電路、輸入和基準欠電壓鎖定電路、有溫度補償的高增益誤差放大器、電流檢測比較器、振蕩器等組成。其內部結構圖如圖4所示。該芯片主要有以下性能。第一個性能是振蕩器的放電電流，讓占空比更加精確；第二個性能是調整最高開關頻率可達500KHz；第三個性能是逐個脈沖的電流限制用帶鎖定的PWM來實現；第四個性能是因內部的參考電源可調整，因而可以進行欠電壓鎖定；第五個性能是能夠提供大電流輸出，輸出電流可高達1A，可直接對功率場效應管進行驅動；第六個性能是在閾值電壓附近工作時的振蕩由欠壓鎖定電路有效防止。

UC3842主要具有兩種功能：峰值電流限制保護和輸入欠壓保護。開關電源的輸出過流或短路就是通過這一峰值電流的限制來實現保護。本設計就是利用的輸入欠電壓保護。欠電壓保護功能主要是靠UC3842內部固有的欠壓鎖定電路來實現，當低位門檻電壓高于提供給UC3842的工作電壓時，輸出驅動脈沖信號被欠壓鎖定電路封鎖，此時開關管關斷。

反激式開關穩壓電源的工作原理

根據前文具體器件功能的介紹，所設計的系統總電路圖如附錄3所示。

開關穩壓電源工作原理分析

(1)通過啟動電阻來啟動UC3842。如圖5所示。

(2)通過UC3842引腳6輸出的PWM信號來控制功率場效應管的通斷，部分電路如圖6所示。當輸出的PWM信號為高電平時，功率場效應管導通，輸入電源給變壓器充電；當輸出的PWM信號為低電平時，功率場效應管關斷，能量通過磁場被變壓器傳輸到次級線圈輸出。

(3)當設定值比輸出電壓高時TL431反向導通，同時光耦二極管也導通，光耦二極管的4腳為低電平輸出,即UC3842的引腳1為低電平輸出。此時UC3842的引腳6為PWM低電平輸出，輸出電壓降低，功率場效應管關斷。

相反，當設定值比輸出電壓低時TL431反向截止，同時光耦二極管也關斷，光耦二極管的4腳為高電平輸出，即UC3842的引腳1為高電平輸出。此時UC3842的引腳6為PWM高電平輸出，功率場效應管處于導通狀態，輸出電壓相應也增大。TL431的通斷如圖7所示。

通過以上闡述，電壓可以在設定值處穩定。

當流過功率場效應管的電流過大時，相應UC3843的輸入電壓也會增高，UC3843的引腳6輸出低電平，功率場效應管處于關斷狀態，從而進行過流保護。部分電路如圖8所示。

反激式開關電源設計與參數計算

開關電源比較核心的問題就是高頻變壓器的參數設計，現在針對設計要求我們來一步步設計相應的各參數。

相關技術參數

本實用新型的輸入電壓設定在200VAC到240VAC之間,由此可以算出整流后的電壓范圍:

輸出電壓設定為12V；

最大輸出電流為5A；

關于輸出功率的計算如下:

Po＝Vout×Iout＝12V×5A＝60W (2)

效率n為80％；

關于輸入功率的計算如下：

占空比的最大值為Dmax＝45％；

平均輸入電流為：

輸入的峰值電流為：

啟動電阻設定

由UC3843芯片的基本特性可知，1mA為UC3842的最大啟動電流,由此可以算出啟動電阻：

由上式知，啟動電阻小于267千歐，本設計取200KΩ

故啟動電阻可為200KΩ/1W

開關頻率的設定

UC3843芯片的開關頻率計算公式為令R＝8.2K,C＝3.3NF，此時開關頻率為：

變壓器參數計算

此變壓器的電壓輸出有兩種，第一種是主輸出12V；第二種是給UC3842供電的16V輔助繞組輸出電壓。

變壓器電感(初級側):

由于已經達到了60W輸出的功率，故選擇EE28磁芯。

EE28的磁芯為Ae＝89(mm2),取ΔB＝0.2T

63.6千赫茲的開關頻率,一個周期的導通時間計算如下：

由此可以算出初級線圈繞組的匝數：

故選用113匝。

匝伏比為：

根據12V的次級線圈輸出電壓，1V的線圈壓降和1.5V的二極管壓降可得出次線圈的匝數：

故次級線圈的匝數為6。

根據16V的輔助繞組輸出電壓，1V的線圈壓降和1.5V的二極管的壓降可得出輔助繞組線圈的匝數：

故輔助繞組為8匝。

電流強度的計算公式為：

當初級線圈的線徑為0.3時電流強度為：

當變壓器線圈的電流強度低于6時，線圈溫度最合適，故此參數設定是符合要求的。

因為輔助繞組的電流較小，選取0.3毫米的線徑。

當次級線圈的輸出電壓為12V，線徑為0.5毫米，其采用兩組3股并線時的電流強度為：

故次級線圈的線徑為0.5mm是符合要求的.

故變壓器的具體參數設定為：

1->2:φ0.3x 1x 57T

6->9:φ0.5x 3x6T

7->10:φ0.5x 3x6T

2->3:φ0.3x 1x 56T

5->4:φ0.3x 1x 8T

MOS管的選擇

MOS管主要是根據導通電阻、驅動電壓、反向電壓及最大電流的參數來選擇。綜合成本及實現功能的難易度，最優選擇為220VAC的輸入及600V的功率場效應管反向電壓，選取IRFBC40晶體管作為本電路板的功率場效應開關管。UC3843芯片的16V工作電壓、輸出16V的MOS管驅動信號和4.5V的MOS管導通電壓是符合要求的。而IRFBC40最大電流Imax為25A，遠遠大于1.18A的峰值電流,故選擇IRFBC40是符合設計要求的。

RCD箝位電路設計

MOS管的最大反向電壓VDSS為600V，故電容兩端電壓的箝位為：

V_CLAMP＝0.9×V_DSS-V_INMAX＝0.9×600-340＝200V (18)

取2％的初級電感為初級繞組的漏感:

L_LK＝5％×L_P＝1％×1.7mH＝17uH (19)

反射電壓VOR為：

由此可得箝位電阻為：

故選擇兩個30K電阻并聯組成此箝位電阻。

要保證吸收漏感能量時自身有足夠小的脈動電壓，箝位電容的值就要保證足夠大。在電子技術的設計中一般取箝位電壓的百分之五到百分之十作為脈沖電壓,當取箝位電壓的5％時，箝位電容為：

可取68Nf作為箝位電容，箝位電容兩端的耐壓值為630V。

過流保護設計

UC3842的引腳3為過流反饋腳，當輸入電壓高于1V時，MOS管的驅動輸出關斷。

75％的電流反饋的取樣電阻即為取樣電樣：

取樣電阻的最大功率Pmax為:

所以選取0.68R 1W的金屬氧化膜電阻作為本設計的電流反饋取樣電阻。

輸入與輸出電容

輸入電容Cin:

Cin＝(1.5～3)Pin＝(1.5～3)×75＝(112.5～225)uF (25)

取輸入電容為100UF/400V.

輸出電容Cout:

Cout＝(200～300)Iout＝(200～300)×5＝(1000～1500)uF (26)

故可選取三個470/25V鋁電解電容進行并聯形成此輸出電容。

同時采用并聯1UF、100NF、10NF的小陶瓷電容來濾除高頻雜波。

輸出二極管的選擇

根據二極管的最大電流、正向壓降以及反向壓降來選擇輸出二極管。

因為輸出電流需要達到5A,所以本設計采用三個二極管并聯且每個二極管的最大電流至少為2A。

二極管的最小反向耐壓為：

根據這個參數可以選用HER303，因為HER303的反向電壓為200V，最大電流為3A，符合設計要求。

反饋系統的設計

構成的反激開關電源的反饋系統是采用EL817與431二者相配合。具體的拓撲如圖9所示。

根據TL431的參考電平2.5V可計算出輸出電壓Vout：

令Rlower＝1.3K：

取阻值為4.99K的R1。

光耦二極管的電流設置5mA。

具體電流如下：

式子中1V是指光耦二極管的導通電壓。

由上可得：

可取1.5K。

結論

本實用新型以PWM集成電路UC3842為核心，通過查閱大量的圖文資料設計了一種高頻率單端反激式開關電源。通過實驗驗證輸出電壓為12.01V,是符合設計要求。關于此設計如何選取此開關電源電路拓撲，如何設計變壓器和電感，以及如何設計功率驅動電路、控制電路及保護電路都是通過嚴格的制作要求來實現。此開關電源的開關器件是采用MOSFET，整個裝置的輸出電壓是通過控制開關器件導通的占空比來規劃調整。為了減小電源的體積重量以及在功率調節上實現便捷高效的功能，能進行遠程控制也是開關電源的發展前景，因此在電力電子技術革新中，高壓功率集成電路的應用和發展得到了世界電子技術的矚目。這種集成電路開關電源外部電路簡單且所用電路元件少，設計巧妙且體積小，加之其安全可靠，因此具有廣闊的應用前景，在電子技術的發展上是不可取代的存在。

以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特征及本實用新型的優點。本行業的技術人員應該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型范圍內。本實用新型要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。