基于UC3844的反激開關(guān)電源設(shè)計

引言

　　隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，開關(guān)電源正朝著小、輕、薄的方向發(fā)展。反激變換器因具有電路拓?fù)浜唵巍⑤斎腚妷悍秶鷮?、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，被廣泛應(yīng)用于實際變換器設(shè)計中。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，下面的設(shè)計采用可調(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。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；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），可以實現(xiàn)逐個脈沖的電流限制；具有圖騰柱輸出，能提供達(dá)1A的電流直接驅(qū)動MOSFET功率管。

　　2 電源的設(shè)計及穩(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)管的激勵脈沖為高電平使MOSFET、開關(guān)管導(dǎo)通時，整流后的直流電壓加在原邊繞組兩端，此時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，磁能就儲存在高頻變壓器的原邊電感線圈中。

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　　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UC3844的腳3，構(gòu)成電流控制閉環(huán)。當(dāng)腳3電壓超過1V時，PWM鎖存器將封鎖脈沖，對電路啟動過流保護(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)部有個分頻器，所以驅(qū)動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，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)通時間，于是傳輸?shù)酱渭壘€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)到了實現(xiàn)輸出閉環(huán)控制的目的。

　　3 電源的若干參數(shù)設(shè)計

　　3.1 變壓器原邊電感設(shè)計

　　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。[!--empirenews.page--]

　　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，同時可以減少漏感。

　　4  實驗結(jié)果及波形

　　實驗具體參數(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。

　　實驗結(jié)果如表1所列。圖5為AC 220V輸入且滿載時MOSFET功率管驅(qū)動波形及電流檢測電阻端電壓波形，圖6為220V輸入時滿載輸出電壓波形，圖7為AC 220V輸入時MOSFET功率管的DS極間電壓波形。

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　　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?，UC3844的腳6產(chǎn)生的方波直接驅(qū)動MOSFET功率管，實現(xiàn)了PWM控制。此設(shè)計電源的穩(wěn)定性能較高，但從波形看出電流檢測電阻端電壓波形有尖峰，說明MOSFET功率管開關(guān)瞬間對變壓器還有一定的沖擊。

　　5 結(jié)語

　　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MOSFET功率管，并具有外圍電路簡單、安裝與調(diào)試方便、性能優(yōu)良等優(yōu)點。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)計輸出與輸入隔離，反饋回路動態(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)計中。