基于UC3842的單端反激式開關電源設計

王秋妍 鄭浩 王道平 王凱

摘 要 本文設計了一種基于UC3842芯片控制的雙路輸出反激式開關電源，介紹了控制電路和變壓器設計，由于開關電源設計的實踐性較強，本文給出的方法僅作為一種參考，實際問題則需要在實踐中不斷加以總結和完善，才能滿足要求。

【關鍵詞】開關電源 反激式 UC3842 變壓器

開關電源作為電源家族中重要的成員，由于其效率高、可靠性高、體積小等優勢，已經成為發展較快的前沿電源技術。根據轉換的形式開關電源可以分為：AC/DC、DC/DC、DC/AC、AC/AC。其中DC/DC是基本變換器，包括3種基本拓撲結構：Buck（降壓型）、Boost（升壓型）和Buck-boost（升降壓型）。在此基礎上，演變出Forward（正激式）、Fly-back（反激式）、Half-bridge converter（半橋式）、 Full-bridge converter（全橋式）、Push-pull converter（推挽式）。

由于反激式變換器具有電路結構簡單，工作頻率高、輸出電壓穩定且輸出不需要濾波電感等優點，特別適用于小功率、多路輸出的場合。

1 反激式開關電源

反激式開關電源因其輸出端輸出端在變壓器原邊繞組斷開電源時才獲得能量而得名。其拓撲結構如圖1所示。

如圖1所示，反激式拓撲基本原理為：在脈寬調制PWM信號高電平時，開關管導通，變壓器一次側有電流流過，此時一次側存儲能量，而變壓器二次側感應出與一次側反相的電壓，二極管VD反向截止，輸出由電容產生；在脈寬調制PWM信號為低電平時，開關管截止，變壓器一次側電流為零，根據電感特性，變壓器一次側將產生反向電壓，此時，變壓器二次側感應出的電壓使二極管VD正向導通，進而給電容充電并為負載提供能量。

由反激式拓撲構成的開關電源結構框圖如圖2所示。

由圖2所示，反激式開關電源主要包括輸入EMI電路，整流濾波電路、功率變換電路、PWM控制電路、反饋電路、輸出整流濾波電路等。

2 開關電源控制芯片UC3842

UC3842是一款頻率高性能、固定頻率脈寬可調的PWM控制芯片。該芯片具有如下性能特點：

（1）屬于電流型PWM調制器，管腳數量少，能夠通過較簡單的外圍電路實現高效率、低成本、小體積的開關電源。

（2）最高開關頻率可達500kHz，頻率穩定度高達0.2%，效率高，圖騰柱式輸出電流可達1A，能夠直接驅動N型功率MOSFET。

（3）鎖存脈寬調制，可實現逐周限流，進一步提高輸出電壓的穩定度和線性調整率。

（4）具有低啟動和工作電流、低功耗和輸出端過流保護、欠壓鎖定功能。UC3842內部結構和引腳如圖3所示。

UC3842由誤差放大器、電流檢測比較器、振蕩電路、PWM鎖存器、欠壓鎖存器、5V基準電壓源和輸出驅動電路等組成。

3 反激式開關電源的設計

3.1 開關電源總體設計

本文將以UC3842為控制芯片，采用單端反激式拓撲，設計兩路輸出電壓5V且電流分別為1A和2A的開關電源，設計指標如下。

輸入電壓：220±10%；輸出電壓5V/1A和5V/2A；紋波電壓：±500mV；輸出功率：15W；效率：80%；開關頻率65KHz；占空比：小于40%。

如圖4所示，電路由輸入EMI電路，整流濾波電路、功率變換電路、PWM控制電路、反饋電路、輸出整流濾波電路等構成。功率變換電路為反激式拓撲結構，功率管選用IRFBC40 （600V，6A），二次整流二極管選用肖特基二極管1N5825 （40V，5A）。

由于輸入整流濾波電路和輸出整流濾波電路都有較成熟的設計思路和電路，因此，本文將重點介紹控制電路和變壓器設計。

3.2 控制電路

控制電路是整個開關電源的核心，直接決定著該開關電源的性能。如圖4所示，該控制電路采用電壓、電流雙閉環控制，即在電壓閉環控制系統中加入峰值電流反饋控制，從而進一步提供開關電源的動態特性和控制精度。

電路電壓外環采用TL431和光耦EL817構成的誤差放大器，將此誤差放大器的輸出直接送至UC3842的1腳；電流內環將開關管電流經采樣電阻R13送入UC3842的3腳。這樣，誤差電壓與電流比較器同相輸入端進行比較，從而調節輸出脈沖的寬度。

電路的工作頻率由電阻R12和電容C11確定，根據

和定時電阻與振蕩器頻率關系曲線（可查閱UC3842數據手冊）可知，在C11取2200pF時，R12可取10KΩ左右，本設計為12KΩ，則開關頻率為65KHz。

為了減小由MOSFET輸入電容和在柵—源電路中的任何串聯引線電感所產生的高頻寄生振蕩，在PWM輸出信號與MOSFET柵極間串聯電阻R7。電容C6、C7、C8減少了控制芯片電源和參考電源的噪聲。

控制電路的控制信號取決于反饋回來的采樣信號。本設計電壓反饋電路采用TL431和光耦EL817構成的誤差放大器，如圖4所示。雖然控制芯片UC3842內部含有誤差放大器，但是在隔離拓撲的條件下，本設計采用光耦器件來實現輸出反饋信號和輸入信號的隔離。同時，考慮到如果將此光耦與TL431構成誤差放大電路，不僅可以實現隔離，而且將該輸出直接作為UC3842內部誤差放大器輸出，可以減小電壓反饋采樣時間，提高開關電源的控制精度。正因為這樣的電壓反饋電路，UC3842內部誤差放大器反相輸入端2腳接地。

電流內環將開關管電流經采樣電阻R13轉換成電壓信號送入UC3842的3腳，該采樣電阻流過電流較大，因次，必須考慮其功率問題。由于高頻變壓器匝間電容和輸出整流二極管恢復時間會使MOSFET開關管電流產生尖脈沖，因此，本設計增加R11C10濾波消除電流波形前沿尖脈沖產生的不穩定因素。

3.3 高頻變壓器

3.3.1 選擇磁芯

本設計采用面積乘積法選取磁芯參數，面積乘積法又稱AP法，AP值表示磁芯有效截面積與窗口面積的乘積值。

AP的計算公式為：

式中AP：磁芯面積乘積（A/cm2） ；Ae：磁芯有效截面積（cm2）；Aw：磁芯窗口面積（cm2）。現已知Po=15W，η=80%，Dmax=0.36；窗口面積利用系數Kw的取值介于0.2到0.4之間，這里我們取Kw=0.3；電流密度J取值范圍為200～600 A/cm2，本設計中取J=400 A/cm2；最大磁感應強度Bm一般取0.1～0.3T之間，這里取Bm=0.2T；在220V輸入時，電流脈動系數Krp一般取0.6到1之間，這里取Krp=0.7。將這些參數帶入公式得：

利用我們計算得到的AP值，考慮到磁芯損耗等諸多因素，本設計選擇AP值更大一些的PQ26/25。

3.3.2 一次側參數

計算出一次側導線線徑后，根據初級峰值電流、有效值電流和匝比確定次級繞組峰值電流和有效值電流，再計算出次級繞組線徑。

據此求出各繞組的峰值電流，進而得到各繞組的線徑。

變壓器的設計是反激式開關電源的難點所在。除了理論分析和計算之外，需要設計人員根據一些經驗參數來進行變壓器的調試，更多時候需要實際經驗和理論設計兩者相互結合。

4 總結

本文設計了一種利用UC3842芯片控制的雙路輸出反激式開關電源，經過測試，芯片驅動信號波形正常，兩路輸出電壓分別為4.91V和5.11V，電壓紋波小于500mV。由于反激式開關電源的設計其實踐性很強，本文給出的方法僅作為一種參考，許多實際問題需要在實踐中不斷加以總結和完善，才能滿足實際要求。

參考文獻

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作者簡介

王秋妍（1978-），女，陜西省綏德縣人。講師，主要從事電工電子教學和研究。

作者單位

火箭軍工程大學理學院 陜西省西安市 710025