基于UC3842反激式AC-DC開關電源設計

朱云智，馮文博，崔祖胤，王宏偉，王國楨

（湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南株洲 412007）

開關電源被廣泛應用于各行各業，反激變換器是開關電源最常見且被廣泛應用的部分。開關電源的設計若不合格或性能較差，將會造成資源浪費，同時會影響設備整體壽命的長短。因此設計一個高效率、高可靠性、優良輸出性能的開關電源極其重要[1]。文獻[2]對反激式高頻變壓器的優化及其應用進行了研究,并對繞組結構優化和寄生參數進行了闡述。文獻[3]主要對多輸出交叉調整率展開了深入的研究，找到了影響開關電源交叉調整率的因素，并提出了改善措施。文獻[4]闡述了EMI 的參數設置，并設計了差模共模組合EMI 濾波器，提高了抗電磁干擾性。文獻[5]設計了反激式開關電源電流型控制方式的雙閉環反饋回路和零點-極點補償網絡，并對補償網絡的設計進行了深入研究。

文獻[6]分析了控制電路的設計，應用Multisim中搭建了仿真電路，驗證了設計的正確性。文獻[7]用Saber 軟件仿真工具搭建了電路閉環仿真模型,模擬反激式電路的環路控制，證明了設計的正確性和可行性。文獻[8]使用Pspice 模型組合成完整的電源仿真電路。對開關電源閉環控制系統的動態響應過程進行仿真分析，證明了電路設計的有效性和準確性。文獻[9]設計了高頻變壓器的新型繞組結構，使用PEmag 和Simplorer 軟件進行了高頻變壓器的設計建模和聯合仿真。PSIM 是一款先進的仿真軟件，具有快速穩定的仿真引擎，運行效率高、收斂性強、仿真過程真實性較高。該文介紹了一種基于UC3842反激式AC-DC 開關電源的原理和設計方法，用同步整流管代替二極管整流，具有兩路輸出，輸入電壓為交流85～265 V，輸出電壓為直流12 V，電流為5 A，輸出電壓為直流6 V、電流為3.6 A。

1 系統的總體設計及其原理

反激開關電源系統架構圖如圖1 所示。電路主要由輸入EMI 以及保護電路、單相橋式整流電路、開關管、變壓器、反饋電路、輸出整流濾波電路、PWM控制電路等部分組成[10]。

圖1 系統整體架構圖

交流電通過單相橋式整流濾波電路轉化為直流電，再經過反激電路降壓成高頻矩形波電壓，最后通過整流濾波電路輸出所需的穩定直流電壓[11]。反饋電路、PWM 控制電路、變壓器、整流濾波電路形成閉環反饋控制電路，PWM 控制電路通過反饋信號來調節MOS 管的驅動，控制MOS 管開通和關斷的時間來輸出穩定的電壓和電流。

2 UC3842內部結構及引腳功能

UC3842 內部結構圖如圖2 所示。

圖2 UC3842內部結構圖

如圖2 所示，整體UC3842 的功能模塊主要由振蕩器、誤差放大器、電流取樣比較器和脈寬調制鎖存器、欠壓鎖定比較器、基準電壓等部分組成。芯片引腳1 為誤差放大器輸出端，用于環路補償。引腳2 為誤差放大器的反相輸入端，通過一個電阻分壓器連接到開關電源輸出。引腳3 為電流取樣端，當正比于電感器電流的電壓接入到該輸入時，脈寬調制器利用其中的信息使輸出開關截止。引腳4 將電阻RT連接至Vref以及電容CT連接至地，使振蕩器頻率和最大輸出占空比可調。引腳5 為控制電路和電源的公共地。引腳6 為輸出端，直接驅動功率MOSFET 的柵極，高達1.0 A 的峰值電流經該管腳進行拉和灌。引腳7 為控制集成電路的正電源端。引腳8 為參考輸出端，通過電阻RT向電容CT提供充電電流。

3 電路設計及元器件的選擇

3.1 磁芯的選擇

磁芯的計算公式為：

式中，Ko為窗口填充系數0.4，Kj為電流密度系數；Bw為變壓器磁通量；LP為變壓器初級電感量；IP為變壓器初級峰值電流。

查閱相關的磁芯規格手冊，選擇PQ2625 的磁芯設計變壓器，查詢磁芯手冊得到該磁芯的AP值為0.997 1 cm4，可滿足變壓器磁芯選擇要求。查詢磁芯手冊得到該骨架的窗口Aw為84.5 mm2和磁芯截面積Ae參數為118 mm2。

3.2 變壓器設計

變壓器初級繞組匝數為：

初級峰值電流為：

初級電感量為：

變壓器原副邊匝比：

輔助繞組匝數為：

式（2）-（6）中，Vinmin為最小輸入電壓；Dmax為最大占空比；Ae為磁芯截面積；Bmax為變壓器最大磁通量；fs為開關工作頻率；Pin為輸入功率；n為原副邊匝比；Vor為反射電壓；Vf為二極管導通電壓；Vout為輸出電壓；Vout1為額外繞組輸出電壓；NS為副邊匝數。

計算得到初級峰值電流為2.341 A，變壓器初級側電感為LP為256.622 μH，變壓器初級匝數NP為30 匝，第一路變壓器副邊匝數NS為4 匝，第二路變壓器副邊匝數NS1為1.5 匝，輔助供電繞組的匝數NS2為5 匝，變壓器原副變比n為8 匝。

3.3 取樣反饋電路

取樣反饋電路由線性光電耦合器、三端可調穩壓管與R12、R13、R14構成的輸出電壓分壓檢測電路所組成。取樣反饋電路如圖3 所示。

圖3 取樣反饋電路

使用TL431 芯片為反饋電路提供穩定的2.5 V電壓。當反激穩態輸出為12 V 時，分壓點的電位為2.5 V，同時通過調整R14電位器，可以精確調整輸出電壓[12]。當輸出側電壓偏離控制目標后，通過TL431內部三極管的導通強弱，使得流過光耦二極管的電流發生變化，光耦三級管導通強度發生變化，進而引起反饋點FB 電位的變化。R12與C4共同構成電壓反饋補償環節，可以獲得較好的輸出電壓特性[13]。

4 反激閉環控制

4.1 峰值電流控制

反激開關電源的輸出控制采用峰值電流控制模式，由內部的電流環與外部的電壓環組成。電流環的控制邏輯：如果MOSFET 控制的PWM 占空比變大，那么原邊電流的峰值就會升高，同時變壓器儲存的能量會增加，最后輸出的電壓變大，也就是說輸出電壓的高低，隨占空比的變大而升高，隨占空比的減小而降低。占空比的大小與原邊電流峰值的大小呈線性關系，所以可以通過調節原邊峰值電流來調整輸出電壓的大小，如果峰值電流上升，則輸出電壓就升高，如果峰值電流下降，則輸出電壓降低。電流內環控制如圖4 所示。

圖4 電流內環控制

峰值電流內環的控制邏輯由RS觸發器與比較器構成，R1為原邊電流的取樣電阻，RS觸發器的S端為工作頻率的時鐘觸發信號，比較器的負端為峰值電流參考Ipk 信號，正端輸入R1所取樣的原邊電流。

4.2 電壓環控制

在實際應用中反激開關電源主要的控制目標為輸出電壓，所以需要構造一個邏輯電壓環電路來控制輸出電壓，電流環以電壓環的輸出為參考。電壓閉環控制如圖5 所示。

圖5 電壓環控制

圖6 同步整流反激變換器與驅動信號

Vo為輸出電壓取樣，V1為需要控制的輸出電壓目標值，電壓環含有運放電路、1 μF 電容、100 kΩ電阻、200 Ω電阻等。當輸出電壓Vo小于V1時，電壓環運放電路的正輸入端電壓大于負輸入端電壓，運放電路的輸出值升高，電流環路的峰值參考電流逐漸增加，在峰值電流環的作用下，占空比變大導致反激開關電源電路的原邊電流峰值上升，進而引起輸出電壓變大。如果輸出電壓Vo大于V1時，電壓環運放電路的負輸入端電壓將大于正輸入端電壓，運放電路的輸出值減小，峰值電流環路的峰值參考電流降低，在峰值電流環的控制下，占空比會減小，反激開關電源電路的原邊峰值電流下降，輸出電壓逐漸降低，最終使輸出電壓Vo穩定在目標值。

5 同步整流反激變換器原理

用同步整流管Q1 換替反激變換器副邊的整流二極管，可以降低反激變換器損耗[14-15]。同步整流反激變換器與驅動信號如圖7 所示。為實現反激變換器的同步整流，原邊MOS 開關管Q1 與副邊同步整流管Q2 要按順序工作，即兩管的導通時間不可以重疊[16]。當原邊MOS 開關管Q1 導通時，Q2 截止，變壓器開始存儲能量；當原邊MOS 開關管Q1 關斷時，Q2 導通，變壓器將存儲的能量傳輸到副邊繞組。在實際電路中，為了避免原邊MOS 管Q1 和副邊同步整流管Q2 同時導通，Q1 關斷時與Q2 導通之間要有一定的延時；同樣Q1 導通時和Q2 關斷之間也會有一定的延時。

圖7 基于UC3842反激開關電源

6 電路仿真

基于UC3842 反激開關電源如圖7 所示。交流電經過整流橋轉化成饅頭波的直流電，經濾波電容之后，再經過變壓器為后級電路提供穩定的直流電壓。通過PSIM 仿真得出輸出電壓和電流，如圖8 所示，其波形如圖8 所示。仿真輸入為220 V 交流電，有兩路輸出，第一路輸出電壓為12 V，輸出電流為5 A；第二路輸出電壓為6 V，輸出電流為3.6 A。兩路輸出電壓和電流紋波如圖10 所示，第一路輸出電壓和電流的紋波分別為13.51 mV、5.58 mA，第二路輸出電壓和電流的紋波分別為21.75 mV、13.05 mA，電路輸出的電壓和電流比較穩定。輸入電壓均為220 V 交流電，滿載時兩路負載分別為2.4 Ω/12 V；1.66 Ω/6 V。如表1 所示，可知二極管整流12 V 和6 V 輸出電壓偏移量較大，分別為0.017 V 和0.078 V。采用同步整流技術后，12 V 輸出電壓的偏移量為0.009V，6 V 輸出電壓的偏移量為0.027 5 V，降低了輸出電壓的偏移率，提高了輸出電壓精度。

表1

圖8 輸出電壓和電流

圖9 輸出電壓和電流紋波

7 結束語

針對現代電子設備對電源輸出穩定的直流電以及效率越來越高的要求，設計了一種多路輸出反激式AC-DC 同步整流開關電源，輸出分別為12 V 和6 V。采用導通電阻極低的MOSFET 代替二極管。介紹了開關電源的工作原理、UC3842 內部結構、反激閉環控制以及同步整流。使用同步整流技術提高了開關電源的效率以及輸出電壓精度。利用PSIM 仿真軟件搭建開關電源整體閉環模型，獲取輸出電壓波形、輸出電流波形和電壓紋波波形，結果表明反激式AC-DC 同步整流開關電源效率高、輸出電壓電流特性良好、紋波小、性能可靠。