基于UC3842的單端反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

0 引言

電源裝置是電力電子技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域，其中高頻開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源由于具有效率高、體積小和重量輕等突出優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛的應(yīng)用。開關(guān)電源的控制電路可以分為電壓控制型和電流控制型，前者是一個(gè)單閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)，系統(tǒng)響應(yīng)慢，很難達(dá)到較高的線形調(diào)整率精度，后者，較電壓控制型有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

UC3842是由Unitrode公司開發(fā)的新型控制器件，是國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的一種電流控制型脈寬調(diào)制器。所謂電流型脈寬調(diào)制器是按反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈電流的信號與誤差放大器輸出信號進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)、電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是比較理想的新型的控制器閉。

1 電路設(shè)計(jì)和原理

1．1 UC3842工作原理

UC3842是單電源供電，帶電流正向補(bǔ)償，單路調(diào)制輸出的集成芯片，其內(nèi)部組成框圖如圖l所示。其中腳1外接阻容元件，用來補(bǔ)償誤差放大器的頻率特性。腳2是反饋電壓輸入端，將取樣電壓加到誤差放大器的反相輸入端，再與同相輸入端的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓。腳3是電流檢測輸入端，與電阻配合，構(gòu)成過流保護(hù)電路。腳4外接鋸齒波振蕩器外部定時(shí)電阻與定時(shí)電容，決定振蕩頻率，基準(zhǔn)電壓VREF為0．5V。輸出電壓將決定變壓器的變壓比。由圖1可見，它主要包括高頻振蕩、誤差比較、欠壓鎖定、電流取樣比較、脈寬調(diào)制鎖存等功能電路。UC3842主要用于高頻中小容量開關(guān)電源，用它構(gòu)成的傳統(tǒng)離線式反激變換器電路在驅(qū)動(dòng)隔離輸出的單端開關(guān)時(shí)，通常將誤差比較器的反向輸入端通過反饋繞組經(jīng)電阻分壓得到的信號與內(nèi)部2．5V基準(zhǔn)進(jìn)行比較，誤差比較器的輸出端與反向輸入端接成PI補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，誤差比較器的輸出端與電流采樣電壓進(jìn)行比較，從而控制PWM序列的占空比，達(dá)到電路穩(wěn)定的目的。

1．2 系統(tǒng)原理

本文以UC3842為核心控制部件，設(shè)計(jì)一款A(yù)C 220V輸入，DC 24V輸出的單端反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源控制電路是一個(gè)電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。變換器的幅頻特性由雙極點(diǎn)變成單極點(diǎn)，因此，增益帶寬乘積得到了提高，穩(wěn)定幅度大，具有良好的頻率響應(yīng)特性。

主要的功能模塊包括：啟動(dòng)電路、過流過壓欠壓保護(hù)電路、反饋電路、整流電路。以下對各個(gè)模塊的原理和功能進(jìn)行分析。電路原理圖如圖2所示。

1．2．1 啟動(dòng)電路

如圖2所示交流電由C16、L1、C15以及C14、C13進(jìn)行低通濾波，其中C16、C15組成抗串模干擾電路，用于抑制正態(tài)噪聲；C14、C13、L1組成抗共模干擾電路，用于抑制共態(tài)噪聲干擾。它們的組合應(yīng)用對電磁干擾由很強(qiáng)的衰減旁路作用。濾波后的交流電壓經(jīng)D1～D4橋式整流以及電解電容C1、C2濾波后變成3lOV的脈動(dòng)直流電壓，此電壓經(jīng)R1降壓后給C8充電，當(dāng)C8的電壓達(dá)到UC3842的啟動(dòng)電壓門檻值時(shí)，UC3842開始工作并提供驅(qū)動(dòng)脈沖，由腳6輸出推動(dòng)開關(guān)管工作。隨著UC3842的啟動(dòng)，R1的工作也就基本結(jié)束，余下的任務(wù)交給反饋繞組，由反饋繞組產(chǎn)生電壓給UC3842供電。由于輸入電壓超過了UC3842的工作，為了避免意外，用D10穩(wěn)壓管限定UC3842的輸入電壓，否則將出現(xiàn)UC3842被損壞的情況。

1．2．2 短路過流、過壓、欠壓保護(hù)電路

由于輸入電壓的不穩(wěn)定，或者一些其他的外在因素，有時(shí)會導(dǎo)致電路出現(xiàn)短路、過壓、欠壓等不利于電路工作的現(xiàn)象發(fā)生，因此，電路必須具有一定的保護(hù)功能。如圖2所示，如果由于某種原因，輸出端短路而產(chǎn)生過流，開關(guān)管的漏極電流將大幅度上升，R9兩端的電壓上升，UC3842的腳3上的電壓也上升。當(dāng)該腳的電壓超過正常值0．3V達(dá)到1V(即電流超過1．5A)時(shí)，UC3842的PWM比較器輸出高電平，使PWM鎖存器復(fù)位，關(guān)閉輸出。這時(shí)，UC3842的腳6無輸出，MOS管S1截止，從而保護(hù)了電路。如果供電電壓發(fā)生過壓(在265V以上)，UC3842無法調(diào)節(jié)占空比，變壓器的初級繞組電壓大大提高，UC3842的腳7供電電壓也急劇上升，其腳2的電壓也上升，關(guān)閉輸出。如果電網(wǎng)的電壓低于85V，UC3842的腳1電壓也下降，當(dāng)下降lV(正常值是3．4V)以下時(shí)，PWM比較器輸出高電平，使PWM鎖存器復(fù)位，關(guān)閉輸出。如果人為意外地將輸出端短路，這時(shí)輸出電流將成倍增大，使得自動(dòng)恢復(fù)開關(guān)RF內(nèi)部的熱量激增，它立即斷開電路，起到過壓保護(hù)作用。一旦故障排除，自動(dòng)恢復(fù)開關(guān)RF在5s之內(nèi)快速恢復(fù)阻抗。因此，此電路具有短路過流、過壓、欠壓三重保護(hù)。

1．2．3 反饋電路

反饋電路采用精密穩(wěn)壓源TL431和線性光耦PC817。利用TL43l可調(diào)式精密穩(wěn)壓器構(gòu)成誤差電壓放大器，再通過線性光耦對輸出進(jìn)行精確的調(diào)整。如圖2所示，R4、R5是精密穩(wěn)壓源的外接控制電阻，它們決定輸出電壓的高低，和TL431一并組成外部誤差放大器。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，取樣電壓VR7也隨之升高，設(shè)定電壓大于基準(zhǔn)電壓(TL431的基準(zhǔn)電壓為2．5V)，使TL431內(nèi)的誤差放大器的輸出電壓升高，致使片內(nèi)驅(qū)動(dòng)三極管的輸出電壓降低，也使輸出電壓Vo下降，最后Vo趨于穩(wěn)定；反之，輸出電壓下降引起設(shè)置電壓下降，當(dāng)輸出電壓低于設(shè)置電壓時(shí)，誤差放大器的輸出電壓下降，片內(nèi)的驅(qū)動(dòng)三極管的輸出電壓升高，最終使得UC3842的腳1的補(bǔ)償輸入電流隨之變化，促使片內(nèi)對PWM比較器進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變占空比，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。R7、R8的阻值是這樣計(jì)算的：先固定R7的阻值，再計(jì)算R8的阻值，即

1．2．4 整流濾波電路

輸出整流濾波電路直接影響到電壓波紋的大小，影響輸出電壓的性能。開關(guān)電源輸出端中對波紋幅值的影響主要有以下幾個(gè)方面。

(1)輸入電源的噪聲，是指輸入電源中所包含的交流成分。解決的方案是在電源輸入端加電容C5，以濾除此噪聲干擾。

(2)高頻信號噪聲，開關(guān)電源中對直流輸入進(jìn)行高頻的斬波，然后通過高頻的變壓器進(jìn)行傳輸，在這個(gè)過程中，必然會摻人高頻的噪聲干擾。還有功率管器件在開關(guān)的過程中引起的高頻噪聲。對于這類高頻噪聲的解決方案是在輸出端采用π型濾波的方式。濾波電感采用150μH的電感，可濾除高頻噪聲。

(3)采用快速恢復(fù)二極管D6、D7整流?；诘蛪骸⒐牡?、大電流的特點(diǎn)，有利于提高電源的效率，其反向恢復(fù)時(shí)間短，有利于減少高頻噪聲。

2 并聯(lián)整流二極管減小尖峰電壓

在大功率的整流電路中，次級整流橋電路存在較大雜散電感，輸出整流管在換流時(shí)，由于電路中存在寄生振蕩，整流管會承受較大的尖峰電壓，尖峰電壓的存在提高了對整流二極管的耐壓要求，也將帶來額外的電路損耗。整流橋的寄生振蕩產(chǎn)生于變壓器的漏感(或附加的諧振電感)與變壓器的繞組電容和整流管的結(jié)電容之間。

當(dāng)副邊電壓為零時(shí)，在全橋整流器中4只二極管全部導(dǎo)通，輸出濾波電感電流處于自然續(xù)流狀態(tài)。而當(dāng)副邊電壓變化為高電壓Vin/K(K為變壓器變比)時(shí)，整流橋中有兩只二極管要關(guān)斷，兩只二極管繼續(xù)導(dǎo)通。這時(shí)候變壓器的漏感(或附加的諧振電感)就開始和關(guān)斷的整流二極管的電容諧振。即使采用快恢復(fù)二極管，二極管依然會承受至少兩倍的尖峰電壓，因此，必須采用有效的緩沖電路，有許多文獻(xiàn)對此作了研究，歸納起來有5種方式：RC緩沖電路，RCD緩沖電路，主動(dòng)箝位緩沖電路，第三個(gè)繞組加二極管箝位緩沖電路，原邊側(cè)加二極管箝位緩沖電路。在這里提出另一種減小二極管尖峰電壓有效的方法：即整流二極管并聯(lián)，其具體的電路圖如圖3所示。

并且這種方法在大功率全橋移相DC／DC電源變換器的項(xiàng)目中得到了應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)波形驗(yàn)證了該方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，其中圖4(a)是整流橋電壓波形，可以看出，由于變壓器的漏感和二極管的結(jié)電容以及變壓器的繞組電容之間發(fā)生的高頻振蕩，使二極管存在很高的尖峰電壓；圖4(b)是采用并聯(lián)整流二極管之后整流橋電壓波形，明顯尖峰電壓減小很多，驗(yàn)證了該方法的有效性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，圖5示出了實(shí)驗(yàn)波形。圖5(a)上波形為UC3842的腳4三角波振蕩波形，下波形為UC3842的腳6驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的PWM波；圖5(b)上波形為滿載時(shí)輸出電壓直流分量Vdc，下波形為交流紋波Vripp。

4 結(jié)語

UC3842是一種高性能的固定頻率電流型控制器，單端輸出，可直接驅(qū)動(dòng)晶體管和MOSFET，具有管腳數(shù)量少、外圍電路簡單、安裝與調(diào)試簡便、性能優(yōu)良、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在100W以下的開關(guān)電源中有很好的應(yīng)用前景。