【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 通時(shí)，電感電流變化率大 [4]。這樣開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力比較大，因此在很多情況下，必需要在開(kāi)關(guān)管的兩端加上吸收電路。 反激變換器的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，元器件少，成本較低，可靠性較高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)主要是變壓器是單向勵(lì)磁的，工作在 CCM 模式下磁芯利用率比較低，但在 DCM 模式 下工作就有所改善；另外反激變換器的開(kāi)關(guān)器件承受的電流峰值比較大，不適用于大功率的開(kāi)關(guān)電源。因此單端反激變換器多應(yīng)用于 150W 以下的小功率開(kāi)關(guān)電源中，諸如各種工業(yè)設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備、消費(fèi)電子等設(shè)備中的開(kāi)關(guān)電源。 開(kāi)關(guān)電源的功率電路 功率級(jí)電路由主要由保護(hù)電路， EMI 電路，輸入整流濾波電路，反激變換電路以及輸出整流濾波電路組成。 EMI 電路和輸入整流濾波電路如圖 所示。圖中 220 市電經(jīng)過(guò)保險(xiǎn)管和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻到達(dá) EMI 電路，保險(xiǎn)管的作用是：當(dāng) 9 電路發(fā)生故障或異常時(shí)，伴隨著電流不斷升高，并且升 高的電流有可能損壞電路中的某些重要元器件。保險(xiǎn)絲會(huì)在電流異常升高到一定的閾值時(shí)熔斷而防止電路過(guò)大而損壞電路。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻 RT1的特性是：溫度越高，電阻越小。所以開(kāi)機(jī)時(shí)可以吸收浪涌電流，防止瞬間電流過(guò)大對(duì)前邊的整流二極管和保險(xiǎn)絲帶來(lái)的沖擊，提高了電源設(shè)計(jì)的安全系數(shù)。而上電穩(wěn)定后只會(huì)消耗很小的電能。 12P1~220VF1Fuse 1tRT1NTC8D10C1680K/1WR1T1EE25222/2KVC2222/2KVC3C4D1Bridge1GND330uF/200wVC5 圖 EMI和輸入整流濾波電路 EMI 電路通常由一個(gè)線圈 T1 和兩個(gè)電容 C2， C3 組成。它的作用是濾除由電網(wǎng)進(jìn)來(lái)的各種干擾信號(hào)，防止電源開(kāi)關(guān)電路形成的高頻擾竄電網(wǎng)。 整流橋采用全橋整流，利用二極管的單 向?qū)щ娦园逊较蚝痛笮《甲兓?50Hz 交流電變換為方向不變但大小仍有脈動(dòng)的直流電。濾波電路用于濾除整流輸出電壓中的紋波，并聯(lián)的電容器 C5 在電源的供給電壓升高時(shí)，能把部分能量存儲(chǔ)起來(lái)，而當(dāng)電源電壓降低時(shí)，就把能量釋放出來(lái)，使輸出電壓變得平緩 [5]。 220 交流電壓經(jīng)過(guò)整流濾波變成 Ud=300V 左右的直流電壓。 反激變換電路及輸出整流濾波電路如圖 所示。主要由反激式 10 高頻變壓器 T2， RCD 吸收電路，啟動(dòng)電路， MOSFET，快恢復(fù)二極管等組成。 反激式變壓器 T2 不僅作為變壓器使用，同時(shí)又作為儲(chǔ)能電感，它的 設(shè)計(jì)方法與其他類型的變壓器不同。在磁芯大小，原邊電感、氣隙大小，原邊線圈匝數(shù)的選擇，以及在磁芯內(nèi)直流成分和交流成分之間的相互影響等問(wèn)題都要在設(shè)計(jì)中細(xì)致考慮 [6]。 T2Trans BBD4MUR3020R23000pFC6D2FR157Q1IRFP46015R5R8GND102/1KVC13100uF/50VC12GND310V 直流電壓PWMD3FR157100KR347uF/50VC7GNDUC3843VCC680pFC18R17 D5FR157GNDOUT 圖 反激變換電路及輸出整流濾波電路 RCD 吸收電路由 D2， R2， C6 組成，其作用是在 MOSFET 關(guān)斷瞬間用來(lái)吸收變壓器的續(xù)流尖峰。 啟動(dòng)電路由啟動(dòng)電阻 R3， D3， C7 和變壓器的一路輔助線圈組成，一般電路在電路上電工作之前都有一個(gè)啟動(dòng)延時(shí)或叫軟啟動(dòng)過(guò)程。這樣在加入直流電壓 U d 之后一段時(shí)間里，反激式電路的開(kāi)關(guān)管保持為斷態(tài)，設(shè)置這段延時(shí)的目 的是為了使集成控制芯片 UC3843 內(nèi)部供電 11 電壓達(dá)到穩(wěn)定的規(guī)定值之后，控制芯片才開(kāi)始投入工作。 芯片 UC3843 的正常供電電源是通過(guò)變壓器的一路輔助電源給 UC3843 工作的，但是如果芯片不先工作的話，也就沒(méi)有輔助電源了；所以需要一個(gè)先給芯片啟動(dòng)的工作電源，這樣才能正常工作。這里通過(guò)電阻 R3 從直流母線上將壓給芯片提供啟動(dòng)電流；根據(jù) UC3843 的技術(shù)資料，芯片的正常工作電流在 10mA 左右，啟動(dòng)電流在 ～。維持芯片工作能量將被儲(chǔ)存在并接芯片電源引腳的 47uF 的電解電容里。 輸出整流濾波電路由 D4， C12 組成，反激式變換器中所使用的輸出整流二極管在變換器開(kāi)關(guān)周期中，主要是在功率開(kāi)關(guān)管截止期間才導(dǎo)通工作的。雙管反激變換器輸出整流二極管承受的電壓應(yīng)力與傳統(tǒng)反激變換器相同，因此，整流二極管必須具有正向壓降低、快速恢復(fù)的特點(diǎn)，還應(yīng)具有足夠的輸出功率。對(duì)于反激變換器，輸出整流器的反向峰值電壓的理論計(jì)算值為： inPSODR VNNVV ?? (41) 上式計(jì)算的 VDR 是在 理想情況下的理論計(jì)算值，然而二極管在實(shí)際運(yùn)行中的況并非如此簡(jiǎn)單，二極管換流和恢復(fù)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)尖峰電壓和振蕩過(guò)電壓，漏和引線電感在瞬變過(guò)程中產(chǎn)生的尖峰電壓，瞬時(shí)短路的情況更為嚴(yán)重。因此，選取整流二極管的反向電壓 VDR 應(yīng)遠(yuǎn)大于理論計(jì)算值，并要留有足夠的裕度。般選取整流管的反向電壓 VDR 約為 34 倍的理論計(jì)算值，設(shè)計(jì)中選用的是 MUR3020，其反 向 擊穿電壓為 600V，電流為 15A。 12 C18,D5,R17 的作用是：吸收 Q1 閉合瞬間在其漏極產(chǎn)生的尖峰脈沖。 開(kāi)關(guān)電源的控制電路 控制電路部分采用高性能 電流模式控制器 UC3843 作為控制芯片。 UC3843 是高性能固定頻率電流模式控制器，專為 OFFLINE 和DCDC 變換器應(yīng)用而設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)人員提供只需最少外部元件就能獲得成本效益高的解決方案。內(nèi)部的集成電路具有可微調(diào)的振蕩器、能進(jìn)行精確的占空比控制、溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖?，高增益誤差放大器。電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出，是驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 的理想器件。它的保護(hù)特性包括輸入與參考欠壓鎖定滯后，逐周期電流限制，可編程輸出死區(qū)時(shí)間，和一個(gè)鎖存器，用于單脈沖計(jì)量。 UC3843 內(nèi)部簡(jiǎn)化方框圖如圖 所示。 圖 UC3843內(nèi)部簡(jiǎn)化方框 13 UC3843 的工作原理是：給定電壓與反饋電壓經(jīng)誤差放大后，作為門限電壓 U與反饋電流經(jīng)采樣后的電壓 VS 一起輸入到電流感應(yīng)比較器，當(dāng)超過(guò)門限電壓后，該比較器就輸出為高電平，進(jìn)入到 RS 觸發(fā)器的復(fù)位端 R，使得輸出 Q 為高電平，經(jīng)或非門后輸出為低電平來(lái)關(guān)斷開(kāi)關(guān)管，并且一直保持這種狀態(tài)，直至振蕩器輸出脈沖到達(dá)觸發(fā)器的置位端 S 和或非門為止，在振蕩器輸出為高電平的時(shí)侯，或非門始終輸出為低電平，開(kāi)關(guān)管也就一直的關(guān)斷，這段時(shí)間由振蕩器輸出脈沖的寬度來(lái)決定，當(dāng)振蕩器輸出脈沖下降的同時(shí)， RS 觸發(fā)器的輸出 Q 變?yōu)榈碗娖?，?jīng)或非門輸出就變?yōu)楦唠娖剑敵隹刂泼}沖就如此周期性地工作，其中 PWM 信號(hào)的上升沿由振蕩器來(lái)決定，下降沿由開(kāi)關(guān)管電流和輸出電壓共同決定，反轉(zhuǎn)觸發(fā)器 T 限制 PWM 的占空比調(diào)節(jié)范圍在 0～ 50%之內(nèi) [7]。 電壓反饋取樣電路設(shè)計(jì) 反激式電源變換器的輸入和輸出一般都是隔離的，所以電壓反饋信號(hào)和控制芯片是不共地的，需要隔離采樣。對(duì)于一個(gè)隔離型單路輸出的開(kāi)關(guān)變換器，一般存在三類電位參考點(diǎn)。第一類參考點(diǎn)是主電路中變壓器一次繞組所在電路部分的公共參考地；第二類參考點(diǎn)是主電路中變壓器 二次繞組所在電路的公共參考地；第三類參考點(diǎn)是控制電路的公共參考地。由于主電路功能是傳輸和處理能量，所以這部分電路中會(huì)有高電壓和大電流功率信號(hào)；而控制電路的功能是處理微弱信 號(hào)，所以控制芯片的耐壓一般不超過(guò) 30V[8]。這樣，最好是控制電路與主電路不存在直接的電氣連接，即不能共地，這樣可以避免主電路 14 中的大電流信號(hào)對(duì)控制電路的影響。但控制電路要對(duì)主電路提供控制信號(hào)，因此需要電氣隔離，一般用磁隔離和光電隔離等。同時(shí)控制電路又要完成對(duì)主電路輸出信號(hào)的采樣，處理以及調(diào)節(jié)其輸出能量等功能，所以在閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，控制電路 的輸入與主電路輸出端也需要進(jìn)行隔離處理，一般都是采用光電隔離。光電隔離一般采用線性光電耦合器件，本設(shè)計(jì)選用的是 PC817?？刂齐娐份敵雠c主電路的隔離是驅(qū)動(dòng)隔離，控制電路與主電路輸出的隔離是反饋隔離 [9]。 GNDAnode1Cathode2Emitter3Collector4U2PC8171KR104K7R111KR12500R13R1410KR15100KR16IC1TL4312KRp1GNDC15C141uFC16103/1KVC17VCC24VVFB 圖 電壓采樣反饋電路 電壓采樣反饋電路如圖 所示，它主要由光耦 PC817 和穩(wěn)壓器件 TL431 等元器件組成。 TL431 作為基準(zhǔn)和反饋誤差放大器，采樣輸出，并產(chǎn)生相應(yīng)的誤差電壓。該誤差電壓通過(guò)光耦 PC817 轉(zhuǎn)變成 15 誤差電流，耦合到初級(jí)中，再轉(zhuǎn)換成電壓作為控制芯片 UC3843 的VFB 端口的 輸入。這里是把光耦的 C 極直接連到 VCC， 2 腳通過(guò)一個(gè) 1K 的電阻接地，再通過(guò)一個(gè) 電阻將電壓采樣到 UC3843 的VFB 腳。 在圖 電壓反饋取樣電路中，由光耦 PC817 和精密穩(wěn)壓管TL431 相配合，作為參考、隔離、取樣和放大，組成負(fù)反饋環(huán)路。下面對(duì)電路中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算 [10]。 (1)反饋取樣電路中的采樣電阻 R1 R15 的取值。 R15 的值不是任意取的，要考慮兩個(gè)因素 : (a)TL431 參考輸入端的電流。一般此電流為 2μA 左右，為了避免此端電流影響分壓比和避免噪音的影響，一般取流過(guò)電阻 R15 的電流為參考段電流的 100 倍以上，所以： ??? KAVR 0 ? (42) (b)待機(jī)功耗的要求。為了減小待機(jī)功耗，在滿足小于 歐姆 的情況下盡量取大值。在這里取 R15 =10K 歐姆 ，外加 Rp1 調(diào)節(jié)輸出電壓。 由 TL431 的 datasheet 資料可知，其內(nèi)部有一個(gè)的基準(zhǔn)電壓Vref=，根據(jù) TL431 的穩(wěn)壓性能， R1 R15 、 Rp Vout、 Vref 有固定的關(guān)系： refpout VRR RV )1( 115 16??? (43) 輸出電壓為 24V， 由 式 43 可得： 16 KRRV VVR pr e f r e fout 10 )( 11516 ??????? (44) (2)限流電阻 R12 的取值， R12 的取值要保證高壓控制端取得所需要的電流。 UC3843 的誤差放大器輸出電壓擺幅為 Vo 6V,三 極管集射電流 Ic 受發(fā)光二極管正向電流 IF 控制 ,通過(guò) PC817 的 Vce與 IF 關(guān)系曲線 (如圖 所示 )可以確定 PC817 發(fā)光二極管正向電流