0 引 言

電力電子技術(shù)的快速發(fā)展使得形式多樣的電子產(chǎn)品朝著便攜式和小型輕量化的方向發(fā)展，也使得更多的電氣化產(chǎn)品是基于蓄電池的供電系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。工業(yè)上需要一種鉛酸蓄電池充電裝置，它既能為柴油發(fā)電機(jī)組的蓄電池充電，也能為汽車的蓄電池充電。在高壓高磁的惡劣環(huán)境下，它能穩(wěn)定持續(xù)的給蓄電池充電，并且能夠自動(dòng)檢測(cè)蓄電池電量，在蓄電池容量飽和時(shí)，適當(dāng)減小充電電流，使蓄電池能夠快速穩(wěn)定的充滿電，從而保護(hù)蓄電池壽命［1］。因此，本設(shè)計(jì)目的在于使這個(gè)充電器能在電磁干擾、機(jī)械振動(dòng)的惡劣的環(huán)境下有效穩(wěn)定持續(xù)的工作。

開關(guān)電源與一般線性電源的不同：線性電源的電壓反饋電路是工作在線性（放大）狀態(tài)，開關(guān)電源是作用于電壓調(diào)整的管子，工作在飽和與截止區(qū)，即開關(guān)狀態(tài)。線性電源一般是將輸出電壓取樣后，與參考電壓一起送入比較電壓放大器，此電壓放大器的輸出作為電壓調(diào)整管的輸入，用以控制調(diào)整管使其結(jié)電壓隨輸入的變化而變化，從而調(diào)整其輸出電壓。而開關(guān)電源是通過改變調(diào)整管的開和關(guān)的時(shí)間即改變占空比來改變輸出電壓的。

目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的AC-DC模塊的輸入電壓一般只有幾十伏，國外最高的也只有380 V，因此，需要對(duì)這種AC-DC模塊進(jìn)行研制。在各種AC-DC變換電源中，因?yàn)閱味朔醇な介_關(guān)電源對(duì)多路輸出的負(fù)載有較強(qiáng)的自動(dòng)均衡能力，因此本課題是基于UC3845的單端反激AC-DC充電器的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本課題所研究的AC-DC開關(guān)電源是專為工業(yè)發(fā)電機(jī)組的蓄電池充電而設(shè)計(jì)，它通過核心器件UC3845來調(diào)整輸出脈沖的寬度，從而控制開關(guān)器件導(dǎo)通和截止，以達(dá)到使電路輸出穩(wěn)定電壓電流的目的。其原理圖如圖1所示。

此開關(guān)電源工作原理：充電過程中當(dāng)輸出電壓有變化時(shí)，TL431內(nèi)部參考電壓也隨之增大或減小，導(dǎo)致流過TL431的電流增大或減小，于是，光耦CNY17發(fā)光加強(qiáng)或減弱，感光端得到的反饋電壓也隨之變大或減小，UC3845在接受這個(gè)變大或減小的反饋電壓后，與其內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行運(yùn)算比較，減小或增大占空比，即減少或增大MOSFET的開關(guān)時(shí)間，使輸出電壓也隨之改變?；谠撛砜梢詫㈤_關(guān)電源的研究?jī)?nèi)容分成三個(gè)模塊：輸入模塊、驅(qū)動(dòng)反饋模塊、輸出模塊。其中驅(qū)動(dòng)反饋模塊為核心部分。

圖1 開關(guān)電源原理圖

圖2 單端反激式拓?fù)潆娐?/p>

2 主要運(yùn)用的三種技術(shù)

2.1 單端反激式技術(shù)

單端反激式開關(guān)電源是指變壓器只有一個(gè)原邊繞組，且電流方向不改變，利用原邊電流關(guān)斷時(shí)，原邊產(chǎn)生的反激電壓向負(fù)載輸出電流。反激式（Fly-back）電路拓?fù)涫亲罨镜墓β首儞Q電路結(jié)構(gòu)之一，因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元器件數(shù)量少和設(shè)計(jì)方便等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于電視機(jī)、DVD和充電器等小功率電器的電源中［2］。反激變換器工作原理與Boost電路相似，可以看作隔離式Boost電路，在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)變壓器原邊電感儲(chǔ)能，關(guān)斷時(shí)能量經(jīng)副邊輸出傳遞給負(fù)載。圖2為單端反激式電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

（1）單端反激式電路原理

當(dāng)開關(guān)管Q導(dǎo)通，原邊繞組接通直流高電壓電源，副邊由于整流二極管承受反向電壓而截止，原邊電流Ii隨時(shí)間線性增加，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，電流越大，變壓器儲(chǔ)能越大；當(dāng)開關(guān)管Q關(guān)斷，原邊電流Ii迅速回0，副邊反激電壓使整流二極管導(dǎo)通，變壓器向負(fù)載輸出電流，變壓器儲(chǔ)能下降［3］。

（2）反激式變壓器的優(yōu)點(diǎn)［4］

反激式變壓器的優(yōu)點(diǎn)有：

a.電路簡(jiǎn)單，能高效提供多路直流輸出，因此適合多組輸出要求；

b.轉(zhuǎn)換效率高、損失??；

c.變壓器匝數(shù)比值較小；

d.輸入電壓在很大的范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，仍可有較穩(wěn)定的輸出，目前已可實(shí)現(xiàn)交流輸入在85～265 V間，無需切換而達(dá)到穩(wěn)定輸出的要求。

2.2 電壓電流雙閉環(huán)控制

UC3845管腳手冊(cè)中的1腳為電壓反饋補(bǔ)償端，2腳為電壓反饋輸入端，3腳為電流反饋輸入端。

電壓反饋電路是通過輸出電壓的變化，而引起光電耦合器PC817上的電流變化，從而去控制UC3845，調(diào)節(jié)占空比，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

從原理圖中可知，當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)，整流電壓加在變壓器T初級(jí)繞組Np上的電能變成磁能儲(chǔ)存在變壓器中，在場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通結(jié)束時(shí)，Np繞組中電流達(dá)到最大值Ipmax，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律：

式中，E為整流電壓；Lp為變壓器初級(jí)繞組電感；Ton為場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)間。

在場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)閉瞬間，變壓器次級(jí)繞組放電電流為最大值Ismax，若忽略各種損耗應(yīng)為：

式中，n為變壓器變比，n＝Np／Ns，Np、Ns為變壓器初、次級(jí)繞組匝數(shù)。

高頻變壓器在場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通期間初級(jí)繞組儲(chǔ)存的能量與場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)閉期間次級(jí)繞組釋放的能量相等：

式中，Ls為變壓器次級(jí)繞組電感；Uo為輸出電壓；Toff為場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)閉時(shí)間。

所以

上式說明，輸出電壓Uo與Ton成正比，與匝比n及Toff成反比。所以穩(wěn)定過程為：當(dāng)輸出電壓有變大趨勢(shì)時(shí)，TL431內(nèi)部參考電壓也隨之增大，導(dǎo)致流過TL431的電流增大，于是，光耦發(fā)光加強(qiáng)，感光端得到的反饋電壓也就越大。UC3845在接受這個(gè)變大反饋電壓后，與其內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行運(yùn)算比較，減小占空比，即減少M(fèi)OSFET的導(dǎo)通時(shí)間，使輸出電壓隨之改變而回落（上面的過程在極短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)達(dá)到平衡）。反之，如果輸出電壓出現(xiàn)過低，UC3845將調(diào)節(jié)輸出脈沖占空比，使之增大，這樣輸出電壓增高，達(dá)到穩(wěn)壓目的。同時(shí)，整個(gè)電源系統(tǒng)的輸入、輸出通過光耦隔離，UC3845受到的干擾減少。由于本設(shè)計(jì)對(duì)電壓精度要求較高，將電壓反饋信號(hào)從補(bǔ)償端（COMP）輸入，不使用UC3845的內(nèi)部放大器。因此反饋信號(hào)的傳輸縮短了一個(gè)放大器的傳輸時(shí)間，使電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快［5］。

電流取樣反饋是通過采樣電阻把采樣電壓接至3腳。當(dāng)3腳的采樣電壓小于1 V時(shí)，脈寬調(diào)制器能正常工作；當(dāng)3腳的電壓等于或大于1 V時(shí)，電流采樣器輸出高電平使PWM鎖存器置0而使輸出封鎖，若故障消失，下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來將使PWM鎖存器自動(dòng)復(fù)位。

2.3 EMI抗噪聲處理技術(shù)

根據(jù)電子類產(chǎn)品的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4的要求，設(shè)備本身不能對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響，也要防止設(shè)備受到電網(wǎng)波動(dòng)而影響使用，所以必須在設(shè)備電源輸入端加EMI濾波處理，處理電路如圖3所示。

圖3 電磁兼容抑制電路

共模電感L1／L2的差值電感與電容C1及C2構(gòu)成了一個(gè)π型濾波器。這種濾波器對(duì)差模干擾有較好的衰減，C1、C2選用的是薄膜電容。除了共模電感以外，圖中的電容C3、C4、C22及C23是用來濾除共模干擾的。共模濾波的衰減在低頻時(shí)主要由電感器起作用，而在高頻時(shí)大部分由電容C3及C4起作用，C22和C23吸收市電內(nèi)帶來的雜波，選用的是陶瓷電容。VDR1是壓敏電阻，為了防止雷擊，F(xiàn)1為熔斷絲，起短路保護(hù)作用。

3 調(diào)試與測(cè)試結(jié)果

在新原理圖拿去生產(chǎn)，然后回來測(cè)試與調(diào)試過程中，還遇到了一些問題，第一次生產(chǎn)的板子上發(fā)現(xiàn)輸出電壓無法控制，從而導(dǎo)致輸出端的穩(wěn)壓電容一直爆掉，之后又引起兩個(gè)反饋電阻燒壞，經(jīng)查明原因?yàn)楣怦畹?個(gè)引腳有接線錯(cuò)誤，導(dǎo)致輸出無法反饋給開關(guān)芯片，使輸出電壓一直上升，輸出端所有器件都燒壞。第二次生產(chǎn)的板子上發(fā)現(xiàn)電壓無輸出，經(jīng)查明發(fā)現(xiàn)散熱片導(dǎo)致整流管D3的3個(gè)引腳接通了，輸出正負(fù)端連在一起，所以無輸出。

整改后重新生產(chǎn)板子，繼續(xù)調(diào)試，在空載時(shí)測(cè)得波形如圖4。

圖4 空載測(cè)試波形

如圖4所示，輸出能夠穩(wěn)定在26.5 V，紋波不超過1 V，由于沒有負(fù)載，所以開關(guān)電源充電器一直處在待機(jī)狀況，功耗很小。當(dāng)接上蓄電池負(fù)載后，電壓穩(wěn)定在25.6 V，電流為4 A，給蓄電池恒壓限流充電，當(dāng)蓄電池電壓上升時(shí)，充電電流會(huì)逐漸減小，來保護(hù)電池壽命，達(dá)到快速高效省時(shí)的充電要求。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的開關(guān)電源充電器在同一張?jiān)韴D的情況下，更換少量元器件能夠?qū)崿F(xiàn)兩種充電模式，通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)證明設(shè)計(jì)達(dá)到了理想效果。整機(jī)調(diào)試方便，性能可靠，輸出電壓紋波較小，能夠有效地抑制機(jī)器本身對(duì)電網(wǎng)的影響，又能夠在電網(wǎng)電壓浮動(dòng)時(shí)正常工作。電路主要由三部分組成，即輸入模塊、驅(qū)動(dòng)反饋模塊、輸出模塊，依據(jù)這三個(gè)模塊設(shè)計(jì)出了符合要求的開關(guān)電源，實(shí)現(xiàn)了220 V轉(zhuǎn)25.6 V、4 A或者13.8 V、6.5 A的恒壓限流充電器的設(shè)計(jì)，其恒壓限流功能滿足鉛酸蓄電池充電的需求。

［1］ 毛小明，夏東偉，等.基于單端反激電路的實(shí)用充電器設(shè)計(jì)［J］.電源學(xué)報(bào)，2011，（4）：88-90.

［2］ 郭慶明，何云峰.單端反激式開關(guān)電源變壓器［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（5）：165-167.

［3］ 高曾輝，邵菊香.單端反激式開關(guān)電源的恒壓輸出條件及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［J］.西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，30（3）：318-321.

［4］ 范立榮.基于UC3844反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)［J］.通信電源技術(shù)，2014，31（1）：34-36.

［5］ 何錦軍，劉曉波.基于UC3842的醫(yī)療開關(guān)電源設(shè)計(jì)［J］.科技廣場(chǎng)，2008，（03）：215-217.