基于 UC3844的反激穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)及分析

0 引言
    隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，功率器件也不斷更新，PWM技術(shù)的發(fā)展也日趨完善，開關(guān)電源正朝著小、輕、薄的方向發(fā)展。由于反激變換器具有電路拓?fù)浜?jiǎn)單、輸入電壓范圍寬、輸入輸出電氣隔離、體積重量小、成本低、性能良好、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于實(shí)際變換器設(shè)計(jì)中。以前大多數(shù)開關(guān)電源采用離線式結(jié)構(gòu)，一般從輔助供電繞組回路中通過電阻分壓取樣，該反饋方式電路簡(jiǎn)單，但由于反饋不是直接從輸出電壓取樣，沒有與輸入隔離，抗干擾能力也差，所以輸出電壓中仍有2％的紋波，對(duì)于負(fù)載變化大和輸出電壓變化大的情況下響應(yīng)慢，不適合精度較高或負(fù)載變化范圍較寬的場(chǎng)合。下面的設(shè)計(jì)采用可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431配合光耦構(gòu)成反饋回路，達(dá)到了更好的穩(wěn)壓效果。

1 UC3844芯片的介紹
    UC3844是美國(guó)Unitrode公司生產(chǎn)的一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制器芯片，由該集成電路構(gòu)成的開關(guān)穩(wěn)壓電源與一般的電壓控制型脈寬調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓電源相比具有外圍電路簡(jiǎn)單、電壓調(diào)整率好、頻響特性好、穩(wěn)定幅度大、具有過流限制、過壓保護(hù)和欠壓鎖定等優(yōu)點(diǎn)。其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    該芯片的主要功能有：內(nèi)部采用精度為±2．0％的基準(zhǔn)電壓為5．00V，具有很高的溫度穩(wěn)定性和較低的噪聲等級(jí)；振蕩器的最高振蕩頻率可達(dá)500kHz。內(nèi)部振蕩器的頻率同腳8與腳4間電阻Rt、腳4的接地電容Ct的關(guān)系如式(1)所列，即

其內(nèi)部帶鎖定的PWM(Pulse Width Modulation)，可以實(shí)現(xiàn)逐個(gè)脈沖的電流限制；具有圖騰柱輸出，能提供達(dá)1A的電流直接驅(qū)動(dòng)MOSFET功率管。

2 電源的設(shè)計(jì)及穩(wěn)壓工作原理
    單端反激變換器，所謂單端，指高頻變壓器的磁芯僅工作在磁滯回線的一側(cè)，并且只有一個(gè)輸出端；反激式變換器工作原理，當(dāng)加到原邊主功率開關(guān)管的激勵(lì)脈沖為高電平使MOSFET、開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，整流后的直流電壓加在原邊繞組兩端，此時(shí)因副邊繞組相位是上負(fù)下正，使整流二極管反向偏置而截止，磁能就儲(chǔ)存在高頻變壓器的原邊電感線圈中；當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖為低電平使MOSFET開關(guān)管截止時(shí)，原邊繞組兩端電壓極性反向，使副邊繞組相位變?yōu)樯险仑?fù)，則整流二極管正向偏置而導(dǎo)通，此后儲(chǔ)存在變壓器中的磁能向負(fù)載傳遞釋放。
    圖2中MOSFET功率開關(guān)管的源極所接的R12是電流取樣電阻，變壓器原邊電感電流流經(jīng)該電阻產(chǎn)生的電壓經(jīng)濾波后送入U(xiǎn)C3844的腳3，構(gòu)成電流控制閉環(huán)。當(dāng)腳3電壓超過1V時(shí)，PWM鎖存器將封鎖脈沖，對(duì)電路啟動(dòng)過流保護(hù)功能；UC3844的腳8與腳4間電阻R16及腳4的接地電容C19決定了芯片內(nèi)部的振蕩頻率，由于UC3844內(nèi)部有個(gè)分頻器，所以驅(qū)動(dòng)MOSFET功率開關(guān)管的方波頻率為芯片內(nèi)部振蕩頻率的一半；圖3中變壓器原邊并聯(lián)的RCD緩沖電路是用于限制高頻變壓器漏感造成的尖峰電壓。變壓器副邊整流二極管并聯(lián)的RC回路是為了減小二極管反向恢復(fù)期間引起的尖峰。MOSFET功率管旁邊的RCD緩沖電路是為了防止MOSFET功率管在關(guān)斷過程中承受大反壓。緩沖電路的二極管一般選擇快速恢復(fù)二極管，而變壓器二次側(cè)的整流二極管一般選擇反向恢復(fù)電壓較高的超快恢復(fù)二極管。

    電路的反饋穩(wěn)壓原理：(輸出電壓反饋電路如圖4所示)，當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，經(jīng)兩電阻尺R6、R7分壓后接到TL431的參考輸入端(誤差放大器的反向輸入端)的電壓升高，與TL431內(nèi)部的基準(zhǔn)參考電壓2．5 V作比較，使得TL431陰陽(yáng)極間電壓Vka降低，進(jìn)而光耦二極管的電流If變大，于是光耦集射極動(dòng)態(tài)電阻變小，集射極間電壓變低，也即UC3844的腳1的電平變低，經(jīng)過內(nèi)部電流檢測(cè)比較器與電流采樣電壓進(jìn)行比較后輸出變高，PWM鎖存器復(fù)位，或非門輸出變低，于是關(guān)斷開關(guān)管，使得脈沖變窄，縮短MOSFET功率管的導(dǎo)通時(shí)間，于是傳輸?shù)酱渭?jí)線圈和自饋線圈的能量減小，使輸出電壓Vo降低。反之亦然，總的效果是令輸出電壓保持恒定，不受電網(wǎng)電壓或負(fù)載變化的影響，達(dá)到了實(shí)現(xiàn)輸出閉環(huán)控制的目的。
    此設(shè)計(jì)中，輸出電壓通過兩電阻分壓并經(jīng)TL43 1的內(nèi)部誤差放大器后，經(jīng)過光耦接UC3844的誤差放大器的腳1，而反向輸入端腳2直接接地，輸出電壓反饋直接聯(lián)接到腳1，而不是腳2，略過了UC3844的內(nèi)部誤差放大器，這使得電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快，因?yàn)榉糯笃饔米餍盘?hào)傳輸時(shí)有一定的傳輸時(shí)間，輸出與輸入并不是同時(shí)建立，不用UC3844內(nèi)部誤差放大器，把反饋信號(hào)的傳輸縮短了一個(gè)放大器的傳輸時(shí)間，從而電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快。

3 電源的參數(shù)設(shè)計(jì)及損耗分析
3．1 變壓器原邊電感設(shè)計(jì)
3．1．1 MOSFET開關(guān)管工作的最大占空比Dmax

式中：Vor為副邊折射到原邊的反射電壓，當(dāng)輸入
    為AC 220V時(shí)反射電壓為135V；
    VminDC為整流后的最低直流電壓；
    VDS為MOSFET功率管導(dǎo)通時(shí)D與S極間電壓，一般取10V。
3．1．2 變壓器原邊繞組電流峰值IPK
    變壓器原邊繞組電流峰值IPK為

    式中：η為變壓器的轉(zhuǎn)換效率；
    Po為輸出額定功率，單位為W。
3．1．3 變壓器原邊電感量LP

    式中：Ts為開關(guān)管的周期(s)；
    LP單位為H。
3．1．4 變壓器的氣隙lg

式中：Ae為磁芯的有效截面積(cm2)；
    △B為磁芯工作磁感應(yīng)強(qiáng)度變化值(T)；
    Lp單位取H，IPK單位取A，lg單位為mm。
3．2 變壓器磁芯
    反激式變換器功率通常較小，一般選用鐵氧體磁芯作為變壓器磁芯，其功率容量AP為

式中：AQ為磁芯窗口面積，單位為cm2；
    Ae為磁芯的有效截面積，單位為cm2；
    Po是變壓器的標(biāo)稱輸出功率，單位為W；
    fs為開關(guān)管的開關(guān)頻率；
    Bm為磁芯最大磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為T；
    δ為線圈導(dǎo)線的電流密度，通常取200～300A／cm2，
    η是變壓器的轉(zhuǎn)換效率；
    Km為窗口填充系數(shù)，一般為0．2~0．4；
    KC為磁芯的填充系數(shù)，對(duì)于鐵氧體為1．0。
    根據(jù)求得的AP值選擇余量稍大的磁芯，一般盡量選擇窗口長(zhǎng)寬之比較大的磁芯，這樣磁芯的窗口有效使用系數(shù)較高，同時(shí)可以減少漏感。
3．3 變壓器原副邊匝數(shù)
3．3．1 變壓器原邊匝數(shù)NP

式中：△B為磁芯工作磁感應(yīng)強(qiáng)度變化值(T)，
    Ae單位為cm2，
    Ts單位為s。
3．3．2副邊匝數(shù)Ns

式中：VD為變壓器二次側(cè)整流二極管導(dǎo)通的正向壓降。
3．4 功率開關(guān)管的選擇
    開關(guān)管的最小電壓應(yīng)力UDS

    一般選擇DS間擊穿電壓應(yīng)比式(9)計(jì)算值稍大的MOSFET功率管。
3．5 變壓器損耗
3．5．1 繞組銅耗計(jì)算
    繞組電阻值R為

式中：MUT為平均每匝導(dǎo)線長(zhǎng)度(cm)；
    N為導(dǎo)線匝數(shù)；
    為20℃時(shí)導(dǎo)線每cm的電阻值(μΩ)。
    繞組銅耗PCU為

    原、副邊繞組電阻值可通過式(10)求出，當(dāng)求原邊繞組銅耗時(shí)，電流用原邊峰值電流IPK來計(jì)算；求副邊繞組銅耗時(shí)，電流用輸出電流Io來計(jì)算。
3．5．2 磁芯損耗
    磁芯損耗取決于工作頻率、工作磁感應(yīng)強(qiáng)度、電路工作狀態(tài)和所選用的磁芯材料的性能。對(duì)于雙極性開關(guān)變壓器，磁芯損耗PC為

式中：Pb為在工作頻率、工作磁感應(yīng)強(qiáng)度下單位質(zhì)量的磁芯損耗(W／kg)；
    Gc為磁芯質(zhì)量(Kg)。
    對(duì)于單極性開關(guān)變壓器，由于磁芯工作于磁滯回線的半?yún)^(qū)，所以磁芯損耗約為雙極性開關(guān)變壓器的一半。
    變壓器總損耗為總銅耗與磁芯損耗之和。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及波形
    實(shí)驗(yàn)具體參數(shù)要求如下：輸入單相AC 220V(180～240V)，輸出電壓為24V，輸出額定功率為72W，開關(guān)頻率為20kHz。
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所列。圖5為AC 220V輸入且滿載時(shí)MOSFET功率管驅(qū)動(dòng)波形及電流檢測(cè)電阻端電壓波形，圖6為220V輸入時(shí)滿載輸出電壓波形，圖7為AC 220V輸入時(shí)MOSFET功率管的DS極間電壓波形。

    從表1及波形可以看出輸出電壓平均值為24V，電壓調(diào)整率小于0．1％，負(fù)載調(diào)整率最大為0．4％?？梢姡琔C3844的腳6產(chǎn)生的方波直接驅(qū)動(dòng)MOSFET功率管，實(shí)現(xiàn)了PWM控制。此設(shè)計(jì)電源的穩(wěn)定性能較高，但從波形看出電流檢測(cè)電阻端電壓波形有尖峰，說明MOSFET功率管開關(guān)瞬間對(duì)變壓器還有一定的沖擊。

5 結(jié)語(yǔ)
    電流控制型PWM芯片UC3844是一種高性能的固定頻率電流型控制器，可以產(chǎn)生PWM脈沖直接驅(qū)動(dòng)MOSFET功率管，并具有外圍電路簡(jiǎn)單、安裝與調(diào)試方便、性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。本文提出了使用UC3844、TL431及光耦等構(gòu)成的單端反激開關(guān)電源，直接從輸出電壓進(jìn)行反饋，且電壓反饋直接接UC3844內(nèi)部誤差放大器的輸出端。該設(shè)計(jì)輸出與輸入隔離，反饋回路動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，穩(wěn)壓控制精度高，比較適合用于小功率變換器的設(shè)計(jì)中。