礦用寬輸入開關電源設計研究

周波++賈文超

摘 要：為了實現礦用寬范圍輸入開關電源的設計，通過比較目前常用的幾種直流變換器拓撲結構的特點，建立了反激式開關電源模型。然后采用UC3842芯片進行控制電路的研究設計，達到礦用寬輸入的要求。利用仿真軟件Saber進行電路原理圖的仿真，其仿真的實驗結果證明了所設計的礦用寬范圍輸入開關電源的正確性和可行性。

關鍵詞：反激式；開關電源；UC3842；寬范圍輸入

中圖分類號：TD611 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.01.018

隨著開關穩壓電源的飛速發展，很多場合都利用到開關穩壓電源。開關穩壓電源高效率、小型化、高適應性是其未來發展的方向。礦井環境惡劣，對開關電源的設計要求很嚴格。由于反激式開關電源大部分是小功率的，功率一般在幾十至一百多瓦之間，其結構簡單，所用體積較小，質量較輕，多被應用于小功率器件中，而且電路結構簡單，輸入調壓范圍寬廣，可以達到礦井下要求的寬輸入開關電源設計要求。

在控制方面，本文使用UC3842芯片，采用PWM脈寬調制方法，從而達到對寬輸入恒輸出的要求，確保在惡劣環境下實現90～265 VAC輸入、恒壓DC24 V輸出的要求。

1 礦用寬范圍輸入開關電源結構設計

1.1 開關電源系統結構

本設計系統結構如圖1所示，主要由輸入濾波電路、主功率電路、控制電路等組成。其中，主功率電路是由反激變換電路、整流電路和輸出濾波電路3部分組成，控制電路部分包括控制回路部分和反饋回路部分。

1.2 反激式變換器工作原理

圖2所示為反激式變換器工作原理圖。

主輸出Vom和輔輸出VO1，Vom連接反饋電路，將V采樣和V參考進行比較，控制芯片分析誤差信號，導通時間由Q1決定。

反激式開關電源工作模式包括斷續工作模式（DCM）和連續工作模式（CCM）2種，電路由PWM脈沖輸入，開關管導通，變壓器原邊有輸入電壓，繞組儲能。開關管關斷時，儲能向負載流動。如果能量在下一個脈沖來之前放完，是為DCM模式，沒放完就是CCM模式。前者優點為具有小體積高頻變壓器。本設計中反向電壓還沒出現，I二極管=0，考慮到減少EMI，所以我們選用DCM模式。

由上可得，反饋控制在VDC或者RO變大時減少，達到自動調整VOUT的目的。

1.3 控制芯片UC3842原理

UC3842是單電源供電、帶電流正向補償、單路調制輸出的集成芯片，主要用于高頻中小容量的開關電源。從內部的結構圖可以很清晰地看出，它主要包括高頻振蕩、誤差比較、欠壓鎖定、電流取樣比較、脈寬調制鎖存等功能電路。通過UC3842所建立的開關電源控制電路中，控制閉環回路有電壓、電流2種控制模式，通過反饋電壓反饋到電壓比較器上是電壓控制環的組成部分，然后再與芯片內部基準電壓比較，比較后產生誤差電壓；誤差電壓又反饋到誤差比較器的反向輸入端，構成PI補償網絡。電流控制環是由變壓器初級電流經采樣電阻產生的電流采樣電壓與誤差放大器輸出端產生的誤差電壓對比，產生脈寬調制信號。此脈寬調制信號用來調節開關管的開通與關斷。當輸出電壓變化時，就會改變開關管的導通時間，占空比因此被改變，從而達到輸出穩定電壓的目的。芯片內部結構如圖3所示。

2 系統總體結構

如圖4，總體電路設計了主電路部分、控制電路部分、反饋電路部分、啟動電路部分等，利用單端反激式拓撲結構作為主電路設計的主要拓撲結構。該電路具有輸入電壓范圍寬、結構簡單、工作效率高等優點。在功率開關管的選擇方面，采用N-MOSFET STP9NK70ZFP（700 V，5 A）作為功率開關管；在次級二極管的選擇方面，采用肖特基二極管SR540（40 V，5 A）作為次級整流二極管。控制電路的設計是整個開關電源設計的核心，其控制的優良直接決定開關電源的性質。輸入交流電先經過電磁干擾濾波器濾除電網的諧波，然后經過整流橋整流變換成直流高壓，電阻R2為啟動電阻，電壓通過R2向UC3842供電，使其開始正常工作，并向其提供穩定的電壓。由R12、C9、VD2組成有源鉗位吸收電路，主要用于吸收高頻變壓器初級繞組產生的尖峰電壓，VD4、C10輸出端整流濾波，使其輸出穩定直流電壓。

3 系統仿真分析

通過之前的理論研究，確定了主電路的基本設計，其中，輸入90～265 VAC，輸出直流電壓24 V，且紋波慮小于1%.輸出電壓波形如圖5所示。

由圖5可以清晰地看出輸出+24電壓在0～100 ms內的電壓波形圖基本符合輸出電壓的指標。下面放大波形圖，截取91.0～95.0 ms時段，電壓在范圍內的波形如圖6所示。

圖6清晰地反映了輸出電壓24 V波動較小，波動大概為0.015 V，紋波率小于1%，紋波電壓小于24 mV，均符合要求。

91.9～92.05 ms變壓器原邊電流波形如圖7所示。

4 結論

本設計是礦用寬范圍輸入開關電源設計，在礦井下惡劣的環境中，要實現開關電源穩定輸出，而且考慮到外界一些干擾因素，要想把開關電源設計好，不是件容易的事情。因此，每部分必須嚴格、細致地設計，才能實現寬范圍、穩壓輸出、穩流輸出。本設計采用單端反激式開關電源拓撲結構，同時設計了電源架構，仿真的結果證明了方案正確，成功設計出了電壓輸入90～265 VAC轉變為24 V直流輸出的反激式開關電源。

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〔編輯：劉曉芳〕