基于UC2843的DCM模式下反激式DC-DC變換器仿真研究

王春寧，武　浩，陳明會

(青島大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，山東 青島 266071)

0　引　言

許多家用電子產(chǎn)品大都采用反激開關(guān)電源給用電設(shè)備提供電源，以及在變頻電源中作為輔助電源，在電子儀器自控裝置中也要給各種模擬及數(shù)字電路提供多路供電電源。因此本設(shè)計以UC2843 PWM電流型控制芯片為核心，搭建了電壓范圍 (180 V～250 V) 交流輸入，多路直流電壓穩(wěn)定輸出的40 W開關(guān)電源，具備體積小、效率高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。

1　設(shè)計要求

輸入：AC 180 V～250 V；

輸出：DC +15 V(±0.1 V)，1 A(兩路)

DC +5 V(±0.3)，電流2 A；

效率：80%；

工作頻率：140 kHz。

2　反激開關(guān)電源硬件設(shè)計

2.1　開關(guān)電源工作原理概述

UC2843是一款高性能的固定頻率電流型控制芯片，多用于離線式直流變換電路設(shè)計，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它的內(nèi)部集成有誤差放大器EA、電流檢測比較器、PWM鎖存器(由RC觸發(fā)器實現(xiàn))和PWM邏輯單元、振蕩器OSC、互補(bǔ)功率放大輸出單元、欠電壓保護(hù)電路、標(biāo)準(zhǔn)的5 V參考源、“圖騰柱”輸出端和其他一些輔助電路等。

反激電源仿真圖如圖2所示，開機(jī)后，220 V交流電經(jīng)熔斷絲和熱敏電阻NTC后，經(jīng)全橋整流濾波后得到310 V左右的直流電，通過一個啟動電阻Rstart和電容C給芯片提供工作電流。由三端穩(wěn)壓器TL431和線性光耦PC817構(gòu)成片外隔離放大器，反饋信號直接送入芯片的COMP端。該信號與電流采樣端ISEN信號比較得到輸出驅(qū)動信號，進(jìn)而控制開關(guān)管通斷，最終穩(wěn)定輸出電壓。

圖1　UC2843內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖2　反激電源仿真圖

2.2　軟啟動

啟動時，電容C10兩端電壓緩慢上升，通過二極管鉗位COMP端電壓，從而控制占空比緩慢展開，進(jìn)而完成軟啟動過程。

2.3　斷續(xù)模式下部分參數(shù)取值

DCM模式反激變換器，輸入到輸出的電壓增益是由占空比和負(fù)載條件同時決定的，這使得DCM 模式的電路設(shè)計變得更復(fù)雜。但是，如果在DCM 模式與CCM 模式的臨界處(BCM 模式)、輸入電壓最低(Uin min_DC)、滿載條件下，設(shè)計DCM 模式反激變換器，就可以使問題變得簡單化。

(1)反射電壓：

(1)

式中，Dmax=45%。

(2)輸入最小直流電壓

Uin min_DC=180×1.414V=254.52V

(3)MOS管耐壓值：

Uds max=Uin max_DC+Uor=561.74 V

(2)

實際取1 000 V。

(4)Ct=1.5 nF，Rt=8.2 kΩ

(5)變壓器各參數(shù)

一次側(cè)電感量：

(3)

式中，Pin=50 W，DCM模式下電流紋波系數(shù)KRF=1，CCM模式下KRF

(4)

(5)

其中：

(6)

(7)

磁芯選擇：開關(guān)電源設(shè)計中，鐵氧體磁芯是應(yīng)用最廣泛的一種磁芯，可被加工成多種形狀，以滿足不同的應(yīng)用需求，如多路輸出、物理高度、優(yōu)化成本等。

本設(shè)計選用EI33型磁芯復(fù)合輸出功率要求，而后進(jìn)行如下計算：

匝

(8)

實際取Np=33匝，其中ΔB取0.21，Ae取118.5 mm2。

式中，UF為二極管正向?qū)▔航担?.8 V。

繞組線徑：Dp=0.35 mm，Ds1=1.85 mm，Ds=1.12 mm，Da=1.85 mm。

3　仿真結(jié)果與分析

經(jīng)過仿真驗證了本設(shè)計的可行性，圖3與圖4所示為saber環(huán)境下，各個繞組的輸出結(jié)果以及MOS管漏極電壓和驅(qū)動波形。

圖3　繞組電阻不同時的輸出電壓

圖4　UC2843PWM輸出占空比與MOS管漏源極電壓

由圖4可見，變換器工作在斷續(xù)模式下，并且占空比在不斷變化以穩(wěn)定輸出電壓。經(jīng)過仿真驗證，由于15 V繞組輸出帶有反饋環(huán)節(jié)，所以輸出電壓比較準(zhǔn)確，紋波較小；5 V繞組沒有反饋環(huán)節(jié)，所以電壓存在較大偏差。輔助繞組電壓有爬坡現(xiàn)象，可見啟動電阻奏效；選取的MOS管耐壓值滿足要求。

輸出電壓在滿載和輕載時均能滿足設(shè)計要求，而且電路運行穩(wěn)定，可靠性較高，效率能達(dá)到預(yù)期，本設(shè)計滿足預(yù)期要求。

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