尹 雷，萬 舟，沈天舒

（昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650000）

新型多路輸出單端反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)

尹 雷，萬 舟，沈天舒

（昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650000）

開關(guān)電源是采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）等技術(shù)控制開關(guān)電路構(gòu)成的電能變換裝置，它在直-直流和交-直流電能變換中的應(yīng)用越來越廣泛，它的功率可以小到數(shù)瓦甚至毫瓦級(jí)，也可以大到數(shù)百M(fèi)瓦甚至G瓦。開關(guān)電源在電子、電器設(shè)備等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，它具有重量輕、體積小、發(fā)熱量低、效率高、性能穩(wěn)定、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，逐漸的取代了傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源，是一種新式電源，是穩(wěn)壓電源的主導(dǎo)產(chǎn)品。該文設(shè)計(jì)的開關(guān)電源是基于集成開關(guān)電源芯片設(shè)計(jì)的三路輸出小功率單端反激式開關(guān)電源。該電源有自動(dòng)穩(wěn)壓、短路保護(hù)、過流保護(hù)、反饋補(bǔ)償?shù)缺Ｗo(hù)電路，可增強(qiáng)電源工作的安全性和可靠性，具有較高的實(shí)用價(jià)值和良好的工程應(yīng)用前景。

開關(guān)電源；反激式變換器；高頻變壓器

0 引言

近年來，開關(guān)電源的應(yīng)用越來越廣泛，是一種新式電源，它具有重量輕、體積小、發(fā)熱量低、效率高、性能穩(wěn)定、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且慢慢的取代了傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源。它很好的應(yīng)用在通信、航天、儀器、設(shè)備、機(jī)械、電器等領(lǐng)域。

在社會(huì)生活中，市場上開關(guān)電源中的功率管很多采用絕緣柵雙極晶體管和全控電力場效應(yīng)管，它們的開關(guān)頻率分別可達(dá)幾十千赫茲，幾百千赫茲。這些高速開關(guān)元器件的應(yīng)用極大地提高了開關(guān)電源的開關(guān)頻率。

1 工作原理分析

本文設(shè)計(jì)的開關(guān)電源的電壓是由控制器 UC3844輸出的高頻PWM信號(hào)來控制全控 MOSFET開關(guān)，利用控制開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間來調(diào)整輸出電壓，用可調(diào)精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431、線性光耦合器PC817和其他電路元器件一起作為反饋環(huán)節(jié)，使設(shè)計(jì)出的開關(guān)電源具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能。下圖為所設(shè)計(jì)的多路反激式開關(guān)電源的原理圖。

圖1 基于uc3844的反激式開關(guān)電源原理圖Fig.1 Based on UC3844 flyback switching power supply schematic diagram

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

該開關(guān)電源系統(tǒng)在總體上可分為主回路系統(tǒng)和控制回路系統(tǒng)。主回路系統(tǒng)由輸入整流濾波電路、DC-DC變換電路、高頻變壓器電路和輸出整流濾波電路幾部分組成?？刂苹芈废到y(tǒng)由 PWM脈沖信號(hào)發(fā)生電路、反饋回路、過流保護(hù)電路和過壓保護(hù)電路幾部分組成。

開關(guān)電源的輸出電壓由主回路和輔助回路組成，將+5 V的輸出設(shè)置為主回路，并設(shè)有反饋回路，+3.3 V、+12 V電壓的輸出設(shè)置為輔助輸出。整體電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 主回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

市電供電的開關(guān)電源，其輸入整流濾波電路的設(shè)計(jì)是必須的，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響著電源的可靠性并對(duì)電網(wǎng)的影響也比較大。

在輸入整流濾波電路中，采用的是EMI濾波器、浪涌電壓電流抑制器、整流器以及濾波電容的組成結(jié)構(gòu)方式，圖3為輸入整流濾波電路原理圖。

C1、C2是抑制串模干擾，分別是容量為0.1μF/400V的薄膜電容。根據(jù)通過電感的電流，選取L值為8mH。

輸出端接地使用的是 C3、C4跨接的方式，可以起到抑制共模干擾的作用。通常用陶瓷電容，容值在 2200～4200pF。

通常VD1、VD3采用快速恢復(fù)二極管可以降低500KHZ以下的噪聲，這里選取FR156。VD2、VD4選取IN4007。

輸入濾波電容C5的選取由經(jīng)驗(yàn)公式知，在AC85～265V輸入時(shí)，選取220μF/400V的鋁電解電容。

圖2 整體電路系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Block diagram of the overall circuit system

圖3 輸入整流濾波電路原理圖Fig.3 Input rectifier filter circuit schematic

高頻變壓器是開關(guān)電源重要的組成元器件，它的作用不僅是能量的轉(zhuǎn)換和傳輸，而且可以使輸入和的整體性和可靠性。所以，材料、磁通密度和損耗對(duì)于變壓器的設(shè)計(jì)來說是非常重要的。

1、選擇變壓器的磁芯和材料

開關(guān)電源中用的高頻變壓器的磁芯都是鐵磁合金，本文設(shè)計(jì)選用NCDLPZ材料的鐵氧體磁芯。磁芯規(guī)格的確定可以根據(jù)制造廠提供的圖表按輸出功率來選擇。

根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，選用每邊大約 35 mm的EE35/35/10材料的PC30磁芯，磁芯的Ae=100 mm，Acw=188 mm，Al=120 nH，磁芯重量W=40.6 g。

（1）計(jì)算初級(jí)臨界電感

式中，Ae是磁芯的有效截面積，單位是 cm2；Bmax是最大的工作磁通密度，單位是 G；Lpmin是最小初級(jí)電感，單位是H。

（3）計(jì)算一次繞組的最大匝數(shù)Npmax

為了方便次級(jí)繞組的設(shè)計(jì)，取Np=111匝。

（4）計(jì)算二次主繞組匝數(shù)Ns5v

VD用肖特基二極管，它的典型值是0.6 V。

（5）計(jì)算其他次級(jí)繞組的匝數(shù)

+3.3V繞組：Ns3v=1.83匝 取2匝。

+12V繞組：Ns12v= 6.75匝 取7匝。

（6）檢測輸出電壓誤差

+3.3V繞組：ΔVs3.3v=4.2%。

+5V繞組：ΔVs5v=3.4%。

+12V繞組: ΔVs12v=3.7%符合設(shè)計(jì)要求。

（7）計(jì)算和選取繞組導(dǎo)線規(guī)格

式中，dn是相應(yīng)的繞組直徑，單位是 mm；In是相應(yīng)繞組的額定電流，單位是A；J是電流密度，單位是A/m m2，AWG標(biāo)準(zhǔn)J=1.98 A/m m2。

初級(jí)繞組的最大電流有效值是:

電壓紋波的大小是受到輸出整流濾波電路的影響的，開關(guān)電源輸出端中對(duì)紋波幅值的影響主要有以下幾方面。

（1）輸入電源中所包含的交流成分。因此，在電源輸入端加上電容，可以消除噪聲干擾。

（2）采用快速恢復(fù)二極管整流。

低壓輸出部分的整流濾波電路圖如下圖 4所示：由整流、續(xù)流二極管，濾波電容和穩(wěn)壓器件等器件組成。在最小占空比（其值在 0.3是比較合適的）；Vp-p是最大的輸出電壓峰峰值，單位是mV。

+3.3V、+5V：C13=C15=0.5A×(1-0.3)/(50 KHZ×100 mV)=70μF取100μF

+12V：C17=1A×(1-0.3)/(50 KHZ×100 mV)= 140μF取 220μF。

圖4 輸出級(jí)電路原理圖Fig.4 Output stage circuit schematic

當(dāng)其二次經(jīng)過 LC濾波，當(dāng)電壓不滿足紋波要求時(shí)，進(jìn)行再一次濾波。一般濾波電感選擇0.3μH，濾波電容要考慮紋波電壓又要考慮抑制負(fù)載電流的變化，選擇100μF。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用電流電壓雙閉環(huán)串級(jí)控制結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，外環(huán)是電壓環(huán)。控制原理是：給定的電壓Ug與從輸出反饋回的電壓Ur進(jìn)行比較，得到的電壓誤差經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器輸出作為另一給定的電壓信號(hào)Ue。該信號(hào)與經(jīng)電阻采樣反映電流變化的信號(hào)Us進(jìn)行比較，輸出一個(gè)占空比可調(diào)的PWM脈沖信號(hào)，從而使得輸出電壓信號(hào) V0保持恒定。電流型PWM控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。

在反饋電路系統(tǒng)中，DC/DC轉(zhuǎn)換器通常采用光耦實(shí)現(xiàn)電路的隔離。

在保護(hù)控制電路系統(tǒng)中，過流保護(hù)是通過檢測R5上流過的電流，再通過 R4和 C10濾波反饋回UC3844，與它內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓1V比較，使導(dǎo)通的寬度變窄，輸出電壓下降，直到UC3844停止工作，達(dá)到保護(hù)電路的目的。短路現(xiàn)象消失后，電源就自動(dòng)恢復(fù)正常工作。由于在輸入保護(hù)中，一般要在輸入端加熔絲管，這里選用2A的熔絲管，壓敏電阻VSR和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTCR。

3 系統(tǒng)調(diào)試

1、電路的啟動(dòng)過程

交流市電通過整流電路得到的直流電壓分為兩路：一路經(jīng)過高頻變壓器的初級(jí)繞組 Np加在MOSFET的漏極；另外的一路經(jīng)過啟動(dòng)電阻 R1向C8充電，為MOSFET提供啟動(dòng)電壓，加在UC3844的第7引腳，當(dāng)C1充電值達(dá)到16 V時(shí)，UC3844啟動(dòng)工作，這個(gè)過程稱為電壓的軟啟動(dòng)。為了防止沖擊電壓損壞UC3844，要在UC3844的第7引腳和地間加一個(gè)18 V穩(wěn)壓管D11。引腳8產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓5 V經(jīng)過R14對(duì)C19進(jìn)行充電，并在引腳4上形成鋸齒波電壓信號(hào)，它的頻率就是電源的工作頻率。鋸齒波電壓信號(hào)進(jìn)入 UC3844的內(nèi)部振蕩器，產(chǎn)生出頻率固定的振蕩信號(hào)，經(jīng)過脈沖寬度調(diào)制和推挽式輸出級(jí)的放大后，在引腳 6輸出柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)使MOSFET導(dǎo)通。

2、開關(guān)電源的穩(wěn)壓過程

三路+3.3 V、+5 V、+12 V輸出電壓經(jīng)過R11、R12、R13分壓后和TL431的基準(zhǔn)電壓2.5V比較，產(chǎn)生誤差電壓，并且經(jīng)過線性光耦合器PC817把誤差電壓傳給UC3844，它控制MOSFET的占空比來進(jìn)行穩(wěn)壓。輸出電壓升高時(shí)，經(jīng)過分壓電阻所得的采樣電壓也升高，流過線性光耦合器PC817發(fā)光二極管的電流增大，光電三極管的導(dǎo)通程度加深，它的集射極電壓減小，UC3844的引腳6輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比減小，因此輸出電壓下降，達(dá)到了穩(wěn)壓的目的。輸出電壓下降時(shí)，控制過程與上述相反。輸出波形圖如下所示，其中+3.3 V、+5 V、+12 V三路輸出波形相似，不同的是它們波形的幅值。

圖6 三路輸出波形圖Fig.6 Thr ee-way output waveform

4 結(jié)語

本文利用反激式變化器對(duì)多路輸出單端反激式式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，一直是人們的關(guān)注和研究的熱點(diǎn)，本文主要是針對(duì)AC/DC開關(guān)電源多路輸出式控制策略自激震蕩電路研究，設(shè)計(jì)出高性能的多路輸出式開關(guān)電源。該電源取自 220V市電，工作頻率為 50KHZ，采用全控電力場效應(yīng)管 MOSFET作為開關(guān)管，利用控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間來調(diào)整輸出電壓，用控制芯片UC3844實(shí)現(xiàn)電壓電流雙閉環(huán)控制，用可調(diào)精密并聯(lián)穩(wěn)壓器 TL431、線性光耦合器PC817和其他電路元器件一起作為反饋環(huán)節(jié)，使設(shè)計(jì)出的開關(guān)電源具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能。它將輸入的交流電壓經(jīng)過濾波、PWM控制、功率變換和穩(wěn)壓控制等電路的處理，得到要求的電壓和電流。可作為工作電源應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域，具有良好的應(yīng)用前景。

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Design of Multiple Output Single-Ended Flyback Switching Power

YIN Lei, WAN Zhou, SHEN Tian-shu
(Faculty of Information Engineering and Automation Kunming University of Science and Technology Kunming 650000)

Switching power supply is the use of power conversion that means pulse width modulation (PWM)technology to controls the switch circuit, which is used more and more widely in transform from DC to AD , its power can be as small wattage even milliwatt and to be as large as several hundred megawatts or gigawatts. Also switching power supply is widely used in the field of electronic and electrical equipment and other places . Switching power supply has a light weight, small size, low heat, high efficiency, stable performance, ease of use, slowly replacing the traditional linear power supply, is a new type of power supply, power supply is the leading product.The graduation project is based on the popular switching power supply monolithic integrated switching power supply chip design triple output low-power single-ended flyback switching power supply. The power supply with automatic voltage, short circuit protection, overcurrent protection, feedback compensation circuit protection, can enhance the safety and reliability of power supply, with high practical value and good engineering applications.

Switching power supply; Flyback converter; High-frequence transformer

TP303+.3

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.11.027

本文著錄格式：尹雷，萬舟，沈天舒. 新型多路輸出單端反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)[J]. 軟件，2017，38（11）：137-141

尹雷(1993-)，男，研究生，主要研究方向：智能電力電子設(shè)備；萬舟(1960-)，男，副教授，主要研究方向：智能電力電子設(shè)備；沈天舒(1994-)，男，研究生，主要研究方向：智能電力電子設(shè)備。