劉夢坷，唐海洋

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048）

單端反激式開關(guān)電源的設(shè)計

劉夢坷，唐海洋

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048）

本文采用高性能電流控制型脈寬調(diào)制芯片UC3844作為電源的核心控制部分，設(shè)計了一種交流輸入為115 V、三路直流輸出為+5 V/3 A、±12 V/0.5 A的單端反激式開關(guān)電源。通過具體的試驗，分析了電路的工作原理以及UC3844在反激式電路中反饋的用法，應(yīng)用脈寬調(diào)制和反饋得到了+5 V、±12 V三路穩(wěn)定的輸出。實驗結(jié)果表明，該電源具有良好的性能。

開關(guān)電源；反激式；UC3844；變壓器

開關(guān)電源是通過開關(guān)管開通和截止實現(xiàn)電壓和電流變換的裝置，利用高頻變壓器來調(diào)整電壓的變化以及實現(xiàn)電網(wǎng)隔離。開關(guān)電源因體積小、重量輕、功耗小、效率高等優(yōu)點使其廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化控制、軍中設(shè)備，科研設(shè)備等領(lǐng)域[1]。

反激式開關(guān)電源電路簡單能有效的提供多路直流輸出，而且可以自動均衡各路輸出負載，所以常被用于大功率高頻開關(guān)電源的輔助電源或功率開關(guān)的驅(qū)動電源[2]。文中介紹了一種基于UC3844的單端反激式開關(guān)電源的原理及設(shè)計方法。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計及工作原理

文中以UC3844為核心，設(shè)計一款輸入為AC115V（50 Hz），輸出為DC 5 V/3 A、12 V/0.5 A、-12 V/0.5 A單端反激式開關(guān)電源。電源效率η達到70%，開關(guān)頻率f達到40 kHz。輸出功率P0=27 W。

本次設(shè)計主要包括整流濾波模塊、功率變換模塊和反饋模塊。如圖1所示交流電經(jīng)過整流濾波得到脈動的直流電壓，再經(jīng)UC3844脈寬調(diào)制和高頻變壓器變換得到方波電壓，最后經(jīng)輸出整流濾波得到直流電壓，同時將反饋信號與UC3844內(nèi)部的誤差放大器輸出的信號進行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出電壓保持穩(wěn)定[3]。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 控制原理及參數(shù)的計算

電源電路采用了PWM控制模式，可以通過UC3844迅速調(diào)整脈沖占空比，從而在每一個周期內(nèi)對前一個周期的輸出電壓和初級線圈充磁峰值電流進行有效調(diào)節(jié)，達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。這種設(shè)計動態(tài)響應(yīng)快，外圍電路簡單，可以精準的快速的調(diào)節(jié)輸出電壓[4]。

主要功能模塊包括：芯片的供電電路，整流電路，反饋電路，保護電路。下面對各個模塊的原理和功能進行分析，芯片外圍電路圖如圖2所示。其中3腳接電流檢測電路，6腳為PWM輸出腳。

圖2 芯片外圍電路圖

2.1 芯片的供電電路

UC3844供電包括兩個部分：啟動階段和正常工作階段。啟動階段由R1和C6組成，直流電經(jīng)限流電阻R1調(diào)節(jié)電壓，并給C6充電至UC3844的門檻電壓16 V后UC3844開始工作，啟動時UC3844的工作電流小于 1 mA，正常工作時電流為 15 mA[5]。UC3844啟動后的正常工作階段，工作電壓不能低于10 V，由反饋繞組整流濾波后給芯片供電[6]。電阻R1計算公式[7]

其中U為115 V交流電經(jīng)整流濾波后得到的直流電壓U=115*1.414=163 V，VI為UC3844的啟動電壓16 V，

為了正常啟動，電容C6的容量應(yīng)該足夠大，取100 μF/50 V。

2.2 整流濾波電路

輸入整流電路選擇不可控全波整流橋，采用電解電容C1濾波，得到脈動直流電壓[8]。在UC3844輸出驅(qū)動脈沖的作用下，開關(guān)管交替導(dǎo)通與關(guān)斷，變壓器次級可得到交流電壓，然后用二極管整流，濾波電感電容可消除高頻噪音。經(jīng)整流濾波之后，可獲得的直流輸出電壓。C2、R2、D5等可以吸收尖峰電壓保護變壓器[9]。

2.3 反饋電路

如圖3所示UC3844的腳1是內(nèi)部輸出放大器的輸出端；腳2為電壓反饋輸入端，主要作用是將取樣電壓加到誤差放大器的反相輸入端，然后與同相輸入端的基準電壓2.5 V進行比較，產(chǎn)生誤差電壓；引腳1和引腳2之前有補償網(wǎng)絡(luò)，可以改善放大器的動態(tài)響應(yīng)，從而提升開關(guān)電源的穩(wěn)定性[10]。經(jīng)實驗調(diào)試測得C9=100 pF，R9=100 kΩ。

反饋繞組的電壓整流濾波后經(jīng)取樣電阻R10、R11分壓送到引腳2與UC3844內(nèi)部的基準電壓2.5 V作比較來調(diào)整驅(qū)動脈沖的占空比，從而改變改變輸出電壓以實現(xiàn)對輸出的控制[11]。在開關(guān)電源設(shè)計中，取R11=18 kΩ，R10=2.7 kΩ。

圖3 UC3844的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.4 保護電路

2.4.1 過流保護電路

UC3844引腳3為電流取樣輸入端，用于電流檢測，由于某種原因使輸出端短路產(chǎn)生過流，開關(guān)管漏極電流上升，R4兩端的電壓升高，UC3844的3腳的電壓也升高，當其值超過1 V時，這將迫使電流比較器輸出高電平，使PWM鎖存器復(fù)位，關(guān)閉輸出。此時UC3844的6腳無輸出，開關(guān)管截止，從而保護了電路[12]。

2.4.2 開關(guān)管的保護電路

當功率開關(guān)關(guān)斷時，由于漏感的影響，高頻變壓器的初級繞組上會產(chǎn)生反射電壓和尖峰電壓，這些電壓會直接施加開關(guān)管的漏極上，不加保護極容易使功率開關(guān)管擊穿[13]。因此將緩沖元件直接安裝在功率開關(guān)管的漏極與地之間，當開關(guān)管關(guān)斷時，形成的尖峰脈沖能量轉(zhuǎn)移到C10中儲存，儲存的能量通過電阻消耗，起到了緩沖器受電壓尖峰的作用[14]。

3 高頻變壓器的設(shè)計

本次設(shè)計的要求為電源效率η達到70%，開關(guān)頻率f達到40 kHz。輸出功率P0=27 W。

圖4 開關(guān)管保護電路

1）脈沖信號最大占空比的計算

本次設(shè)計的開關(guān)電源輸入交流電壓范圍是90~ 130 V，經(jīng)整流濾波后的最大直流電壓UMAX=183 V，最小直流電壓UMIN=126 V，開關(guān)管源極與漏極之間的壓降VDS=10 V，VOR為變壓器次級反射到初級的反射電壓取70 V，最大占空比為[15]

2）一次側(cè)峰值電流

一次側(cè)的電感量

3）選取鐵芯

其中KU=0.3，BMAX=0.25，KJ=400 A/CM2。

查閱鐵芯手冊，選取 EC35型，其中[16]AE=0.89 cm2

4）一次側(cè)繞組的匝數(shù)

取54匝；

反饋繞組的匝數(shù)

取13匝

其中U0為反饋繞組的電壓取16 V，UF為輸出整流管壓降取0.7，

輸出5 V端的匝數(shù)

取5匝

輸出為±12 V端的匝數(shù)

取10匝

4 實驗結(jié)果

根據(jù)以上的設(shè)計，設(shè)計出了一種基于UC3844的AC輸入、DC輸出的單端反激式開關(guān)電源。經(jīng)實驗驗證該開關(guān)電源性能良好，輸出結(jié)果穩(wěn)定。圖5為UC3844時鐘信號波形圖，圖6為輸出為12 V的電壓波形圖。

圖5 時鐘波形圖

圖6 輸出電壓波形圖

5 結(jié)束語

本次設(shè)計以基于UC3844控制芯片的高頻開關(guān)電源設(shè)計開發(fā)為目標，對反激式開關(guān)電源的控制方式、UC3844芯片以及外圍電路的設(shè)計、高頻變壓器的設(shè)計、保護電路作了比較系統(tǒng)的分析。得出結(jié)論：該開關(guān)電源電壓調(diào)節(jié)范圍寬，動態(tài)響應(yīng)快，穩(wěn)定余量大，能很好的滿足工作要求。

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Design of a single flyback switching power supply

LIU Meng-ke，TANG Hai-yang
（School of Electronic and Information，Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710048，China）

In this paper，a high-performance current-controlled pulse width modulation control chip UC3844 as a core part of the power of design a AC input 115 V，three-channel DC output is+5 V/3 A，single-ended±12 V/0.5 A switch flyback power supply.through specific tests，analyzes the working principle of the circuit and the use of UC3844 in flyback circuit feedback，the application pulse width modulation and feedback obtained+5 V，±12 V three-way stable output.Experimental results show that the power supply has a good performance.

switch power；flyback；UC3844；transformer

TN710.1

：A

：1674－6236（2017）01-0175-04

2015-12-03稿件編號：201512026

劉夢坷（1992—），女，河南南陽人，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動。