基于電流型脈寬調制器的單端反激式穩壓電源設計

摘要：介紹了一種以UC3842電流型脈寬調制器進(jìn)行控制，多路固定電壓輸出的40W開(kāi)關(guān)穩壓電源，根據UC3842的特性給出了詳細的電路參數及高頻變壓器的設計方法，并對其性能進(jìn)行實(shí)驗，實(shí)驗結果表明按此方法設計的開(kāi)關(guān)穩壓電源可靠性高。
關(guān)鍵詞：電流型脈寬調制器；反激式開(kāi)關(guān)電源；占空比

0 引言
電源裝置是電力電子技術(shù)應用的一個(gè)重要領(lǐng)域，其中高頻開(kāi)關(guān)式直流穩壓電源由丁具有效率高、體積小、重量輕等突出優(yōu)點(diǎn)．而得到了廣泛應用。本文詳細介紹一種電流控制型開(kāi)關(guān)電源，以低成本的UC3842 PWM控制芯片為核心構成的多路輸出的開(kāi)關(guān)電源設計電路。本設計采用高性能的專(zhuān)用芯片UC3842，應用原邊檢測技術(shù)去除副邊反饋環(huán)，從而降低了成本。

l 單端反激式變換器的特點(diǎn)
單端反激式變換器又稱(chēng)電感儲能式變換器，工作原理如圖l所示，當開(kāi)關(guān)管S1被PWM脈沖激勵而導通時(shí)，次級整流二極管D1截止，輸出電容C給負載供電。直流輸入電壓施加到高頻變壓器T的原邊繞組上，此時(shí)NP相當于一個(gè)純電感，流過(guò)NP的電流線(xiàn)性上升，電源能量以磁能形式存儲在電感中：當開(kāi)關(guān)管S1截止時(shí)，由于電感電流不能突變，原邊繞組兩端電壓極性反向，副邊繞組上的電壓極性顛倒使D1導通，原邊儲存的能量傳送到副邊，提供負載電流，同時(shí)給輸出電容充電。

單端反激式變換器通常采用加氣隙來(lái)增大可工作的磁場(chǎng)強度H，減少剩余磁感應強度；當反激式變換器處于連續工作模式時(shí)，氣隙可有效防止磁芯飽和，因而可增大電源的輸出功率，減少變壓器磁芯損耗，進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率。

2 UC3842結構和功能介紹
UC3842芯片是一種單端隔離式電流型脈寬調制集成電路，其主要特點(diǎn)是：
(1)外接元件少，外圍電路簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜；
(2)無(wú)需輸入變壓器，啟動(dòng)電流??；
(3)具有精密的電壓基準源(l％)；
(4)大電流(1 A)PWM輸出級，可直接驅動(dòng)功率MOS管；
(5)有欠電壓封鎖和過(guò)電流保護功能；
(6)工作頻率可達500kHz。

UC3842芯片能同時(shí)滿(mǎn)足較好的電氣性能和較低的成本，因而被廣泛用于小功率開(kāi)關(guān)電源。其內部框圖如圖2所示。腳l為補償端子，外接RC網(wǎng)絡(luò )可補償誤差放大器的頻率響應；腳2是電壓反饋端，取樣電壓加在誤差放大器的反相輸入端，與2．5V的基準電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓；腳3為電流檢測輸入端，外接檢測電阻，可構成過(guò)流保護電路，當腳3電壓等于或高于lV時(shí)，電流檢測比較器輸出高電平，復位PWM鎖存器，從而關(guān)閉輸出脈沖，達到限流保護的目的。因此，被檢測的峰值電流為

式中：Rs為功率開(kāi)關(guān)管的電流檢測電阻。在本設計方案中Rs選擇0.33Ω。
腳4外接定時(shí)電阻和電容，用以確定振蕩器的工作頻率，其計算公式為

腳6為輸出端，采用圖騰式輸出，輸出平均電流為200mA，最大電流為lA。腳7是其電源端，芯片工作的開(kāi)啟電壓為16V，欠壓鎖定電壓為10V，6V的啟動(dòng)與關(guān)閉差值可有效地防止電路在門(mén)限值電壓附近時(shí)產(chǎn)生振蕩；腳8是其內部基準電壓(5V)。

3 電源電路的工作原理
圖3為工作原理圖，交流輸入電壓經(jīng)整流平滑后為電路提供直流工作電壓，起動(dòng)電路出電容C4和R1構成，C4經(jīng)電阻R1充電，當C4電壓達到UC3842的啟動(dòng)電壓16V時(shí)，UC3842的腳6有驅動(dòng)信號輸出，啟動(dòng)過(guò)程完成后其正常的工作電壓由饋電線(xiàn)圈N6上的高頻電壓經(jīng)R10、D2、C4整流濾波后提供，同時(shí)也作為電壓反饋信號，經(jīng)R3、R4分壓后送到電壓比較器的反相輸入端(腳2)與UC3842內部的2．5V基準電壓作比較來(lái)調整驅動(dòng)脈沖寬度，從而改變輸出電壓以實(shí)現對輸出的控制；C8、R11、D3為主功率器件S1的緩沖回路，以吸收S1漏源極的電壓尖峰；C2、R2、D1則作為脈沖變壓器的緩沖回路，吸收N1的漏感所產(chǎn)生的尖峰，以防止功率器件的損壞；R8、C6構成濾波器以濾去由Rs檢測的電流中可能會(huì )有的毛刺，防止電流比較器的誤動(dòng)作。

4 高頻變壓器的參數設計
本沒(méi)計的目標是完成一個(gè)交流輸入電壓范圍為220(120％)V，輸出為24V／500mA、15V／600mA、5V／2A的多級輸出，效率η=75％，最大占空比D=O．5，工作頻率f=50kHz的開(kāi)關(guān)穩壓直流電源。

單端反激式工關(guān)電源中變壓器不僅作為變壓器使用，同時(shí)又作為儲能電感，它的設計方法與其他類(lèi)型的變壓器不同。其設計參數豐要有以下3項：
(1)求出原邊繞組電感量；
(2)選擇規格、尺寸合適的高頻變壓器磁芯；
(3)計算原副邊繞組匝數。

4．1 計算原邊電感量Lp及變壓器氣隙δ
考慮到輸入電壓有20％的波動(dòng)，即要求該單端反激開(kāi)關(guān)電源在交流電壓180～260V范圍內都能正常工作。
原邊繞組流過(guò)的峰值電流Ip為

式中：輸出功率Po=240．5+150．62+52=40W；
取反激變壓器最大占空比Dmax=0．5；
Vs應取最小值
Vs(min)=1801．4-20=232V
其中20V為直流紋波及整流橋壓降之和。
將各已知量代入式(3)得

假設電壓Vs波動(dòng)下限為7％，Vs(min)232(1-0．07)=216V，則

本設計中變壓器選用由鐵氧體R2KB材料制成的GU2616罐型磁芯，其所需氣隙長(cháng)度可由下式計算

式中：Ae為磁心有效截面積；
即工作磁感應強度變化值取飽和值8s的一半，查閱R2KB鐵氧體磁性能表可知，其飽和磁感應強度Bs=3500GS，則
磁芯有效截面積A=97．25mm2代入各值計算可得

4．2 原副邊繞組匝數
原邊繞組匝數計算公式為

將4．1中得到的各量代入得N1=128匝。
副邊繞組陌數的選取下面以24V輸出為例介紹設計的思路，副邊繞組匝數的計算公式為

式中：VD為整流二極管正向壓降。

代入數據，得

取N2=14匝。
取UC3842的工作電壓為15V，則反饋繞組取9匝，式中的lV為整流管的導通壓降。

5 實(shí)驗結果
為了檢驗該開(kāi)關(guān)電源的性能，本文按上述應用電路進(jìn)行了測試，開(kāi)關(guān)電源的電壓調整率、負載調整率、紋波和效率如表l所示。

實(shí)驗得到的測試值與理論上的計算值基本符合。實(shí)驗證明了設計電路完全達到了預定的性能指標。

6 結語(yǔ)
本文利用集成芯片UC3842設計的電流型脈寬調制單端反激式開(kāi)關(guān)穩壓電源克服了電壓控制脈寬調制開(kāi)關(guān)穩壓電源頻響慢、電壓調整率和負載調整率低的缺點(diǎn)，電路結構簡(jiǎn)單，成本低、體積小、易實(shí)現。實(shí)驗表明該電源的性能可同集成穩壓器媲美，效率比線(xiàn)性穩壓電源高，有很好的發(fā)展前景。