高頻控制節(jié)能型開關電源電路設計與探究

陳金如，龔姝婷，楊慧清，龔火根

（江西農業(yè)工程職業(yè)學院 331200）

0 引言

隨著超大規(guī)模集成電路的高速發(fā)展和新型微電子半浮柵晶體管器件的出現，尤其是微處理器和半導體存儲器的開發(fā)利用，孕育了新一代電子開關電源產品；顯然，體積大而笨重的穩(wěn)壓電源已經過時，取而代之的是小型化、重量輕、高效率和節(jié)能環(huán)保型隔離式開關電源。

隨著電子技術的不斷發(fā)展，在70年代，集成化的開關電源就已被廣泛地應用于電子計算機、彩色電視機、衛(wèi)星通信設備、精密儀表等電子設備。到了80年代，功率在50W以上就具有競爭力了。隨著開關電源性能的改善，到80年代后期，電子設備的消耗功率在20W以上，就要考慮使用開關電源了。進入21世紀，開關電源在繼續(xù)研究小型、輕便和高效率的開關電源中，又增添了我們不能回避的環(huán)境保護重大課題；開關電源除了必須研究高效和節(jié)能的技術以外，還必須研究電源組件回收再利用的課題。

1 高頻節(jié)能開關電源電路研究的目的及意義

1.1 研究的目的：隨著社會文明的進步、我國經濟的高速發(fā)展，人類已經進入了電子工業(yè)化時代，并轉入高新技術產業(yè)迅猛發(fā)展的時期，電源是供電設備不可缺少的部件，是工業(yè)發(fā)展的基礎。本論文的目的就是在查閱以往開關電源相關資料的同時，掌握開關電源的內部結構和相關原理，學習怎樣設計小功率開關電源的方法，為以后從事相關事業(yè)打下基礎，開闊視野，從而提高自身的能力。

1.2 研究的意義：高新技術均與電源的電壓、電流、頻率、相位和波形等基本技術參數的變換和控制相關，電源技術能夠實現對這些參數的精確控制和高效處理，因此，電源技術不但本身是一種高新技術，而且還是其它多項高新技術的發(fā)展基礎。電源技術的進一步發(fā)展必將為大幅節(jié)能、降低耗材以及提高效率提供重要的手段，并為現代電子工業(yè)生產和現代生活帶來深遠的影響。

2 新型高頻開關型電源的發(fā)展趨勢

新型高頻開關型電源的發(fā)展趨勢可以歸納以下幾點：

（1）小型化、輕量化、薄型化、高頻化、節(jié)能型是高頻開關型電源的主要發(fā)展趨勢。

（2）提高集成可靠性，增加保護功能，拓寬輸入電壓范圍，提高無故障時間。

（3）隨著頻率的提高，高頻開關型電源的噪聲隨之增大，降低噪聲提高環(huán)保也是高頻開關電源的研究方向。

（4）提高節(jié)能開關電源裝置和系統的電磁兼容性(EMC)。

（5）用軟件進行輔助設計和控制，具有四高（高效、高精度、高經濟性、高可靠性）優(yōu)點，可以使高頻開關型電源具有最佳電路結構與最佳工作狀態(tài)。

電子開關電源高頻化的實現，與磁性元件和半導體功率器件的發(fā)展狀況有著密切的關系。隔離式開關電源的核心是一種高頻電源變換電路。它使交流電源高效率地產生多路經調整的穩(wěn)定直流電壓。

3 隔離式高頻開關電源

隔離式開關電源的變換器具有多種形式。主要分為半橋式、全橋式、推挽式、單端反激式、單端正激式等。

隔離式開關電源基本功能方框圖，RFI濾波器整流濾波高頻開關元件高頻變壓器輸出整流濾波PWM控制邏輯輔助電路(圖1）

隔離式開關電源的方框圖工作原理說明：在圖1中，交流電壓經過整流、濾波電路變成含有一定脈動電壓成分的直流電壓，然后進入高頻變換部分。高頻變換部分的核心是有一個高頻功率開關組件，為了調節(jié)輸出電壓，使得在輸入交流和輸出負載發(fā)生變化時，輸出電壓能保持穩(wěn)定，我們采用一個叫做脈沖寬度調制器(FWM)的電路，通過對輸出電壓采樣，并把采樣的結果反饋給控制電路，控制電路把它與基準電壓進行比較，根據比較結果來控制高頻開關組件的開關時間比例(占空比)，達到調整輸出電壓的目的。

4 高頻開關電源的總體設計

4.1 主電路的選擇

高頻開關型電源電路的組成，主要電路是由輸入電磁干擾濾波器、整流濾波電路、功率變換電路、PWM控制器電路、輸出電路等組成。輔助電路有輸入過欠壓保護電路、輸出過流保護電路、輸出過欠壓保護電路、輸出短路保護電路等。

本設計為小功率高頻節(jié)能型開關電源，選用單端反激式電路，而單端反激式功率范圍可以達到要求，因為反激式開關電源中的變壓器起著電感和變壓器的雙重作用，反激式變換器只需要濾波電容的選擇，而不需要濾波電感的選擇，由于它是電感，在開關電源中必然具有電感的一般規(guī)律，在電路中具有電流連續(xù)，臨界連續(xù)和斷續(xù)三種工作模式，且電路結構不是很復雜。

4.2 控制電路的選擇

選用集成芯片UC3842控制電路：采用電流模式脈寬調制控制器UC3842芯片，這個芯片可推挽或單端輸出，工作頻率可為1--500KHz，輸出電壓可達30V,內設有5V的電壓基準，死區(qū)時間可以調整，輸出的電流可達幾百至幾千mA，驅動能力還是較強。UC3842芯片內部有一個誤差比較器，一個振蕩器和一個電流比較器，一個鎖存器和邏輯控制單元，一個互補功率放大輸出單元，一個欠壓保護電路，一個標準的參考5V電壓和其它一些輔助電路。電流比較器可用于過流保護，電壓比較器可設置為閉環(huán)控制，調整速度快，用UC3842芯片作為小功率開關電源的PWM的控制是很方便的它可以直接驅動雙極管，MOSFET和IGBT具有管腳少（8只引腳），外圍電路比較簡單、安裝和調試都比較方便、性能且優(yōu)良、價格也合理。

4.3 電路圖結構及工作原理

4.3.1 高頻開關電源電路圖結構

圖1 隔離式開關電源的方框圖

圖2 高頻開關電源電路圖

4.3.2 電路工作原理說明

圖2是由UC3842構成的單端反激式開關電源電路，220V市電由C1、L1 濾除電磁干擾，負溫度系數的熱敏電阻Rt1 限流，再經VC 整流、C2 濾波，電阻R1、電位器RP1 降壓后加到UC3842 的供電端（⑦腳），為UC3842 提供啟動電壓，電路啟動后變壓器的付繞組③④的整流濾波電壓一方面為UC3842 提供正常工作電壓，另一方面經R3、R4 分壓加到誤差放大器的反相輸入端②腳，為UC3842 提供負反饋 電壓，其規(guī)律是此腳電壓越高驅動脈沖的占空比越小，以此穩(wěn)定輸出電壓。④腳和⑧腳外接的R6、C8 決定了振蕩頻率，其振蕩頻率的最大值可達500KHz。R5、C6用于改善增益和頻率特性。⑥腳輸出的方波信號經R7、R8 分壓后驅動MOSFEF 功率管，變壓器原邊繞組①②的能量傳遞到付邊各繞組，經整流濾波后輸出各數值不同的直流電壓供負載使用。電阻R10 用于電流檢測，經R9、C9 濾濾后送入UC3842的③腳形成電流反饋環(huán).所以由UC3842 構成的電源是雙閉環(huán)控制系統，電壓穩(wěn)定度非常高，當UC3842 的③腳電壓高于1V 時振蕩器停振，保護功率管不至于過流而損壞。

5 結論

本課題設計的任務是面向開關電源應用的工程項目。通過對高頻節(jié)能控制開關電源電路的基本理論分析，設計出一種實用的新型開關電源，使得充電模塊的重量更輕、體積更小、效率和安全可靠性更高。經過課題組將近一年的研究和反復實驗，我們完成了高頻節(jié)能控制開關電源型電路系統的總體設計，通過實驗調試，主電路和控制電路的設計參數完全符合要求，這就為高頻控制開關電源電路的研制提供了一種切實可行的方案。

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