基于電流型脈寬調(diào)制器的單端反激式穩(wěn)壓電源設(shè)計

摘要：介紹了一種以UC3842電流型脈寬調(diào)制器進行控制，多路固定電壓輸出的40W開關(guān)穩(wěn)壓電源，根據(jù)UC3842的特性給出了詳細的電路參數(shù)及高頻變壓器的設(shè)計方法，并對其性能進行實驗，實驗結(jié)果表明按此方法設(shè)計的開關(guān)穩(wěn)壓電源可靠性高。
關(guān)鍵詞：電流型脈寬調(diào)制器；反激式開關(guān)電源；占空比

0 引言
電源裝置是電力電子技術(shù)應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域，其中高頻開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源由丁具有效率高、體積小、重量輕等突出優(yōu)點．而得到了廣泛應(yīng)用。本文詳細介紹一種電流控制型開關(guān)電源，以低成本的UC3842 PWM控制芯片為核心構(gòu)成的多路輸出的開關(guān)電源設(shè)計電路。本設(shè)計采用高性能的專用芯片UC3842，應(yīng)用原邊檢測技術(shù)去除副邊反饋環(huán)，從而降低了成本。

l 單端反激式變換器的特點
單端反激式變換器又稱電感儲能式變換器，工作原理如圖l所示，當(dāng)開關(guān)管S1被PWM脈沖激勵而導(dǎo)通時，次級整流二極管D1截止，輸出電容C給負載供電。直流輸入電壓施加到高頻變壓器T的原邊繞組上，此時NP相當(dāng)于一個純電感，流過NP的電流線性上升，電源能量以磁能形式存儲在電感中：當(dāng)開關(guān)管S1截止時，由于電感電流不能突變，原邊繞組兩端電壓極性反向，副邊繞組上的電壓極性顛倒使D1導(dǎo)通，原邊儲存的能量傳送到副邊，提供負載電流，同時給輸出電容充電。

單端反激式變換器通常采用加氣隙來增大可工作的磁場強度H，減少剩余磁感應(yīng)強度；當(dāng)反激式變換器處于連續(xù)工作模式時，氣隙可有效防止磁芯飽和，因而可增大電源的輸出功率，減少變壓器磁芯損耗，進一步提高開關(guān)頻率。

2 UC3842結(jié)構(gòu)和功能介紹
UC3842芯片是一種單端隔離式電流型脈寬調(diào)制集成電路，其主要特點是：
(1)外接元件少，外圍電路簡單，價格便宜；
(2)無需輸入變壓器，啟動電流??；
(3)具有精密的電壓基準源(l％)；
(4)大電流(1 A)PWM輸出級，可直接驅(qū)動功率MOS管；
(5)有欠電壓封鎖和過電流保護功能；
(6)工作頻率可達500kHz。

UC3842芯片能同時滿足較好的電氣性能和較低的成本，因而被廣泛用于小功率開關(guān)電源。其內(nèi)部框圖如圖2所示。腳l為補償端子，外接RC網(wǎng)絡(luò)可補償誤差放大器的頻率響應(yīng)；腳2是電壓反饋端，取樣電壓加在誤差放大器的反相輸入端，與2．5V的基準電壓進行比較，產(chǎn)生誤差電壓；腳3為電流檢測輸入端，外接檢測電阻，可構(gòu)成過流保護電路，當(dāng)腳3電壓等于或高于lV時，電流檢測比較器輸出高電平，復(fù)位PWM鎖存器，從而關(guān)閉輸出脈沖，達到限流保護的目的。因此，被檢測的峰值電流為

式中：Rs為功率開關(guān)管的電流檢測電阻。在本設(shè)計方案中Rs選擇0.33Ω。
腳4外接定時電阻和電容，用以確定振蕩器的工作頻率，其計算公式為

腳6為輸出端，采用圖騰式輸出，輸出平均電流為200mA，最大電流為lA。腳7是其電源端，芯片工作的開啟電壓為16V，欠壓鎖定電壓為10V，6V的啟動與關(guān)閉差值可有效地防止電路在門限值電壓附近時產(chǎn)生振蕩；腳8是其內(nèi)部基準電壓(5V)。

3 電源電路的工作原理
圖3為工作原理圖，交流輸入電壓經(jīng)整流平滑后為電路提供直流工作電壓，起動電路出電容C4和R1構(gòu)成，C4經(jīng)電阻R1充電，當(dāng)C4電壓達到UC3842的啟動電壓16V時，UC3842的腳6有驅(qū)動信號輸出，啟動過程完成后其正常的工作電壓由饋電線圈N6上的高頻電壓經(jīng)R10、D2、C4整流濾波后提供，同時也作為電壓反饋信號，經(jīng)R3、R4分壓后送到電壓比較器的反相輸入端(腳2)與UC3842內(nèi)部的2．5V基準電壓作比較來調(diào)整驅(qū)動脈沖寬度，從而改變輸出電壓以實現(xiàn)對輸出的控制；C8、R11、D3為主功率器件S1的緩沖回路，以吸收S1漏源極的電壓尖峰；C2、R2、D1則作為脈沖變壓器的緩沖回路，吸收N1的漏感所產(chǎn)生的尖峰，以防止功率器件的損壞；R8、C6構(gòu)成濾波器以濾去由Rs檢測的電流中可能會有的毛刺，防止電流比較器的誤動作。

4 高頻變壓器的參數(shù)設(shè)計
本沒計的目標是完成一個交流輸入電壓范圍為220(120％)V，輸出為24V／500mA、15V／600mA、5V／2A的多級輸出，效率η=75％，最大占空比D=O．5，工作頻率f=50kHz的開關(guān)穩(wěn)壓直流電源。

單端反激式工關(guān)電源中變壓器不僅作為變壓器使用，同時又作為儲能電感，它的設(shè)計方法與其他類型的變壓器不同。其設(shè)計參數(shù)豐要有以下3項：
(1)求出原邊繞組電感量；
(2)選擇規(guī)格、尺寸合適的高頻變壓器磁芯；
(3)計算原副邊繞組匝數(shù)。

4．1 計算原邊電感量Lp及變壓器氣隙δ
考慮到輸入電壓有20％的波動，即要求該單端反激開關(guān)電源在交流電壓180～260V范圍內(nèi)都能正常工作。
原邊繞組流過的峰值電流Ip為

式中：輸出功率Po=240．5+150．62+52=40W；
取反激變壓器最大占空比Dmax=0．5；
Vs應(yīng)取最小值
Vs(min)=1801．4-20=232V
其中20V為直流紋波及整流橋壓降之和。
將各已知量代入式(3)得

假設(shè)電壓Vs波動下限為7％，Vs(min)232(1-0．07)=216V，則

本設(shè)計中變壓器選用由鐵氧體R2KB材料制成的GU2616罐型磁芯，其所需氣隙長度可由下式計算

式中：Ae為磁心有效截面積；
即工作磁感應(yīng)強度變化值取飽和值8s的一半，查閱R2KB鐵氧體磁性能表可知，其飽和磁感應(yīng)強度Bs=3500GS，則
磁芯有效截面積A=97．25mm2代入各值計算可得

4．2 原副邊繞組匝數(shù)
原邊繞組匝數(shù)計算公式為

將4．1中得到的各量代入得N1=128匝。
副邊繞組陌數(shù)的選取下面以24V輸出為例介紹設(shè)計的思路，副邊繞組匝數(shù)的計算公式為

式中：VD為整流二極管正向壓降。

代入數(shù)據(jù)，得

取N2=14匝。
取UC3842的工作電壓為15V，則反饋繞組取9匝，式中的lV為整流管的導(dǎo)通壓降。

5 實驗結(jié)果
為了檢驗該開關(guān)電源的性能，本文按上述應(yīng)用電路進行了測試，開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率、紋波和效率如表l所示。

實驗得到的測試值與理論上的計算值基本符合。實驗證明了設(shè)計電路完全達到了預(yù)定的性能指標。

6 結(jié)語
本文利用集成芯片UC3842設(shè)計的電流型脈寬調(diào)制單端反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源克服了電壓控制脈寬調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓電源頻響慢、電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率低的缺點，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低、體積小、易實現(xiàn)。實驗表明該電源的性能可同集成穩(wěn)壓器媲美，效率比線性穩(wěn)壓電源高，有很好的發(fā)展前景。