單端反激式開關電源的設計

劉夢坷，唐海洋

（西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安 710048）

單端反激式開關電源的設計

劉夢坷，唐海洋

（西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安 710048）

本文采用高性能電流控制型脈寬調制芯片UC3844作為電源的核心控制部分，設計了一種交流輸入為115 V、三路直流輸出為+5 V/3 A、±12 V/0.5 A的單端反激式開關電源。通過具體的試驗，分析了電路的工作原理以及UC3844在反激式電路中反饋的用法，應用脈寬調制和反饋得到了+5 V、±12 V三路穩定的輸出。實驗結果表明，該電源具有良好的性能。

開關電源；反激式；UC3844；變壓器

開關電源是通過開關管開通和截止實現電壓和電流變換的裝置，利用高頻變壓器來調整電壓的變化以及實現電網隔離。開關電源因體積小、重量輕、功耗小、效率高等優點使其廣泛應用于工業自動化控制、軍中設備，科研設備等領域[1]。

反激式開關電源電路簡單能有效的提供多路直流輸出，而且可以自動均衡各路輸出負載，所以常被用于大功率高頻開關電源的輔助電源或功率開關的驅動電源[2]。文中介紹了一種基于UC3844的單端反激式開關電源的原理及設計方法。

1 系統的整體設計及工作原理

文中以UC3844為核心，設計一款輸入為AC115V（50 Hz），輸出為DC 5 V/3 A、12 V/0.5 A、-12 V/0.5 A單端反激式開關電源。電源效率η達到70%，開關頻率f達到40 kHz。輸出功率P0=27 W。

本次設計主要包括整流濾波模塊、功率變換模塊和反饋模塊。如圖1所示交流電經過整流濾波得到脈動的直流電壓，再經UC3844脈寬調制和高頻變壓器變換得到方波電壓，最后經輸出整流濾波得到直流電壓，同時將反饋信號與UC3844內部的誤差放大器輸出的信號進行比較，從而調節占空比使輸出電壓保持穩定[3]。

圖1 系統總體結構圖

2 控制原理及參數的計算

電源電路采用了PWM控制模式，可以通過UC3844迅速調整脈沖占空比，從而在每一個周期內對前一個周期的輸出電壓和初級線圈充磁峰值電流進行有效調節，達到穩定輸出電壓的目的。這種設計動態響應快，外圍電路簡單，可以精準的快速的調節輸出電壓[4]。

主要功能模塊包括：芯片的供電電路，整流電路，反饋電路，保護電路。下面對各個模塊的原理和功能進行分析，芯片外圍電路圖如圖2所示。其中3腳接電流檢測電路，6腳為PWM輸出腳。

圖2 芯片外圍電路圖

2.1 芯片的供電電路

UC3844供電包括兩個部分：啟動階段和正常工作階段。啟動階段由R1和C6組成，直流電經限流電阻R1調節電壓，并給C6充電至UC3844的門檻電壓16 V后UC3844開始工作，啟動時UC3844的工作電流小于 1 mA，正常工作時電流為 15 mA[5]。UC3844啟動后的正常工作階段，工作電壓不能低于10 V，由反饋繞組整流濾波后給芯片供電[6]。電阻R1計算公式[7]

其中U為115 V交流電經整流濾波后得到的直流電壓U=115*1.414=163 V，VI為UC3844的啟動電壓16 V，

為了正常啟動，電容C6的容量應該足夠大，取100 μF/50 V。

2.2 整流濾波電路

輸入整流電路選擇不可控全波整流橋，采用電解電容C1濾波，得到脈動直流電壓[8]。在UC3844輸出驅動脈沖的作用下，開關管交替導通與關斷，變壓器次級可得到交流電壓，然后用二極管整流，濾波電感電容可消除高頻噪音。經整流濾波之后，可獲得的直流輸出電壓。C2、R2、D5等可以吸收尖峰電壓保護變壓器[9]。

2.3 反饋電路

如圖3所示UC3844的腳1是內部輸出放大器的輸出端；腳2為電壓反饋輸入端，主要作用是將取樣電壓加到誤差放大器的反相輸入端，然后與同相輸入端的基準電壓2.5 V進行比較，產生誤差電壓；引腳1和引腳2之前有補償網絡，可以改善放大器的動態響應，從而提升開關電源的穩定性[10]。經實驗調試測得C9=100 pF，R9=100 kΩ。

反饋繞組的電壓整流濾波后經取樣電阻R10、R11分壓送到引腳2與UC3844內部的基準電壓2.5 V作比較來調整驅動脈沖的占空比，從而改變改變輸出電壓以實現對輸出的控制[11]。在開關電源設計中，取R11=18 kΩ，R10=2.7 kΩ。

圖3 UC3844的內部結構圖

2.4 保護電路

2.4.1 過流保護電路

UC3844引腳3為電流取樣輸入端，用于電流檢測，由于某種原因使輸出端短路產生過流，開關管漏極電流上升，R4兩端的電壓升高，UC3844的3腳的電壓也升高，當其值超過1 V時，這將迫使電流比較器輸出高電平，使PWM鎖存器復位，關閉輸出。此時UC3844的6腳無輸出，開關管截止，從而保護了電路[12]。

2.4.2 開關管的保護電路

當功率開關關斷時，由于漏感的影響，高頻變壓器的初級繞組上會產生反射電壓和尖峰電壓，這些電壓會直接施加開關管的漏極上，不加保護極容易使功率開關管擊穿[13]。因此將緩沖元件直接安裝在功率開關管的漏極與地之間，當開關管關斷時，形成的尖峰脈沖能量轉移到C10中儲存，儲存的能量通過電阻消耗，起到了緩沖器受電壓尖峰的作用[14]。

3 高頻變壓器的設計

本次設計的要求為電源效率η達到70%，開關頻率f達到40 kHz。輸出功率P0=27 W。

圖4 開關管保護電路

1）脈沖信號最大占空比的計算

本次設計的開關電源輸入交流電壓范圍是90~ 130 V，經整流濾波后的最大直流電壓UMAX=183 V，最小直流電壓UMIN=126 V，開關管源極與漏極之間的壓降VDS=10 V，VOR為變壓器次級反射到初級的反射電壓取70 V，最大占空比為[15]

2）一次側峰值電流

一次側的電感量

3）選取鐵芯

其中KU=0.3，BMAX=0.25，KJ=400 A/CM2。

查閱鐵芯手冊，選取 EC35型，其中[16]AE=0.89 cm2

4）一次側繞組的匝數

取54匝；

反饋繞組的匝數

取13匝

其中U0為反饋繞組的電壓取16 V，UF為輸出整流管壓降取0.7，

輸出5 V端的匝數

取5匝

輸出為±12 V端的匝數

取10匝

4 實驗結果

根據以上的設計，設計出了一種基于UC3844的AC輸入、DC輸出的單端反激式開關電源。經實驗驗證該開關電源性能良好，輸出結果穩定。圖5為UC3844時鐘信號波形圖，圖6為輸出為12 V的電壓波形圖。

圖5 時鐘波形圖

圖6 輸出電壓波形圖

5 結束語

本次設計以基于UC3844控制芯片的高頻開關電源設計開發為目標，對反激式開關電源的控制方式、UC3844芯片以及外圍電路的設計、高頻變壓器的設計、保護電路作了比較系統的分析。得出結論：該開關電源電壓調節范圍寬，動態響應快，穩定余量大，能很好的滿足工作要求。

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Design of a single flyback switching power supply

LIU Meng-ke，TANG Hai-yang
（School of Electronic and Information，Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710048，China）

In this paper，a high-performance current-controlled pulse width modulation control chip UC3844 as a core part of the power of design a AC input 115 V，three-channel DC output is+5 V/3 A，single-ended±12 V/0.5 A switch flyback power supply.through specific tests，analyzes the working principle of the circuit and the use of UC3844 in flyback circuit feedback，the application pulse width modulation and feedback obtained+5 V，±12 V three-way stable output.Experimental results show that the power supply has a good performance.

switch power；flyback；UC3844；transformer

TN710.1

：A

：1674－6236（2017）01-0175-04

2015-12-03稿件編號：201512026

劉夢坷（1992—），女，河南南陽人，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動。