高頻控制節能型開關電源電路設計與探究

陳金如，龔姝婷，楊慧清，龔火根

（江西農業工程職業學院 331200）

0 引言

隨著超大規模集成電路的高速發展和新型微電子半浮柵晶體管器件的出現，尤其是微處理器和半導體存儲器的開發利用，孕育了新一代電子開關電源產品；顯然，體積大而笨重的穩壓電源已經過時，取而代之的是小型化、重量輕、高效率和節能環保型隔離式開關電源。

隨著電子技術的不斷發展，在70年代，集成化的開關電源就已被廣泛地應用于電子計算機、彩色電視機、衛星通信設備、精密儀表等電子設備。到了80年代，功率在50W以上就具有競爭力了。隨著開關電源性能的改善，到80年代后期，電子設備的消耗功率在20W以上，就要考慮使用開關電源了。進入21世紀，開關電源在繼續研究小型、輕便和高效率的開關電源中，又增添了我們不能回避的環境保護重大課題；開關電源除了必須研究高效和節能的技術以外，還必須研究電源組件回收再利用的課題。

1 高頻節能開關電源電路研究的目的及意義

1.1 研究的目的：隨著社會文明的進步、我國經濟的高速發展，人類已經進入了電子工業化時代，并轉入高新技術產業迅猛發展的時期，電源是供電設備不可缺少的部件，是工業發展的基礎。本論文的目的就是在查閱以往開關電源相關資料的同時，掌握開關電源的內部結構和相關原理，學習怎樣設計小功率開關電源的方法，為以后從事相關事業打下基礎，開闊視野，從而提高自身的能力。

1.2 研究的意義：高新技術均與電源的電壓、電流、頻率、相位和波形等基本技術參數的變換和控制相關，電源技術能夠實現對這些參數的精確控制和高效處理，因此，電源技術不但本身是一種高新技術，而且還是其它多項高新技術的發展基礎。電源技術的進一步發展必將為大幅節能、降低耗材以及提高效率提供重要的手段，并為現代電子工業生產和現代生活帶來深遠的影響。

2 新型高頻開關型電源的發展趨勢

新型高頻開關型電源的發展趨勢可以歸納以下幾點：

（1）小型化、輕量化、薄型化、高頻化、節能型是高頻開關型電源的主要發展趨勢。

（2）提高集成可靠性，增加保護功能，拓寬輸入電壓范圍，提高無故障時間。

（3）隨著頻率的提高，高頻開關型電源的噪聲隨之增大，降低噪聲提高環保也是高頻開關電源的研究方向。

（4）提高節能開關電源裝置和系統的電磁兼容性(EMC)。

（5）用軟件進行輔助設計和控制，具有四高（高效、高精度、高經濟性、高可靠性）優點，可以使高頻開關型電源具有最佳電路結構與最佳工作狀態。

電子開關電源高頻化的實現，與磁性元件和半導體功率器件的發展狀況有著密切的關系。隔離式開關電源的核心是一種高頻電源變換電路。它使交流電源高效率地產生多路經調整的穩定直流電壓。

3 隔離式高頻開關電源

隔離式開關電源的變換器具有多種形式。主要分為半橋式、全橋式、推挽式、單端反激式、單端正激式等。

隔離式開關電源基本功能方框圖，RFI濾波器整流濾波高頻開關元件高頻變壓器輸出整流濾波PWM控制邏輯輔助電路(圖1）

隔離式開關電源的方框圖工作原理說明：在圖1中，交流電壓經過整流、濾波電路變成含有一定脈動電壓成分的直流電壓，然后進入高頻變換部分。高頻變換部分的核心是有一個高頻功率開關組件，為了調節輸出電壓，使得在輸入交流和輸出負載發生變化時，輸出電壓能保持穩定，我們采用一個叫做脈沖寬度調制器(FWM)的電路，通過對輸出電壓采樣，并把采樣的結果反饋給控制電路，控制電路把它與基準電壓進行比較，根據比較結果來控制高頻開關組件的開關時間比例(占空比)，達到調整輸出電壓的目的。

4 高頻開關電源的總體設計

4.1 主電路的選擇

高頻開關型電源電路的組成，主要電路是由輸入電磁干擾濾波器、整流濾波電路、功率變換電路、PWM控制器電路、輸出電路等組成。輔助電路有輸入過欠壓保護電路、輸出過流保護電路、輸出過欠壓保護電路、輸出短路保護電路等。

本設計為小功率高頻節能型開關電源，選用單端反激式電路，而單端反激式功率范圍可以達到要求，因為反激式開關電源中的變壓器起著電感和變壓器的雙重作用，反激式變換器只需要濾波電容的選擇，而不需要濾波電感的選擇，由于它是電感，在開關電源中必然具有電感的一般規律，在電路中具有電流連續，臨界連續和斷續三種工作模式，且電路結構不是很復雜。

4.2 控制電路的選擇

選用集成芯片UC3842控制電路：采用電流模式脈寬調制控制器UC3842芯片，這個芯片可推挽或單端輸出，工作頻率可為1--500KHz，輸出電壓可達30V,內設有5V的電壓基準，死區時間可以調整，輸出的電流可達幾百至幾千mA，驅動能力還是較強。UC3842芯片內部有一個誤差比較器，一個振蕩器和一個電流比較器，一個鎖存器和邏輯控制單元，一個互補功率放大輸出單元，一個欠壓保護電路，一個標準的參考5V電壓和其它一些輔助電路。電流比較器可用于過流保護，電壓比較器可設置為閉環控制，調整速度快，用UC3842芯片作為小功率開關電源的PWM的控制是很方便的它可以直接驅動雙極管，MOSFET和IGBT具有管腳少（8只引腳），外圍電路比較簡單、安裝和調試都比較方便、性能且優良、價格也合理。

4.3 電路圖結構及工作原理

4.3.1 高頻開關電源電路圖結構

圖1 隔離式開關電源的方框圖

圖2 高頻開關電源電路圖

4.3.2 電路工作原理說明

圖2是由UC3842構成的單端反激式開關電源電路，220V市電由C1、L1 濾除電磁干擾，負溫度系數的熱敏電阻Rt1 限流，再經VC 整流、C2 濾波，電阻R1、電位器RP1 降壓后加到UC3842 的供電端（⑦腳），為UC3842 提供啟動電壓，電路啟動后變壓器的付繞組③④的整流濾波電壓一方面為UC3842 提供正常工作電壓，另一方面經R3、R4 分壓加到誤差放大器的反相輸入端②腳，為UC3842 提供負反饋 電壓，其規律是此腳電壓越高驅動脈沖的占空比越小，以此穩定輸出電壓。④腳和⑧腳外接的R6、C8 決定了振蕩頻率，其振蕩頻率的最大值可達500KHz。R5、C6用于改善增益和頻率特性。⑥腳輸出的方波信號經R7、R8 分壓后驅動MOSFEF 功率管，變壓器原邊繞組①②的能量傳遞到付邊各繞組，經整流濾波后輸出各數值不同的直流電壓供負載使用。電阻R10 用于電流檢測，經R9、C9 濾濾后送入UC3842的③腳形成電流反饋環.所以由UC3842 構成的電源是雙閉環控制系統，電壓穩定度非常高，當UC3842 的③腳電壓高于1V 時振蕩器停振，保護功率管不至于過流而損壞。

5 結論

本課題設計的任務是面向開關電源應用的工程項目。通過對高頻節能控制開關電源電路的基本理論分析，設計出一種實用的新型開關電源，使得充電模塊的重量更輕、體積更小、效率和安全可靠性更高。經過課題組將近一年的研究和反復實驗，我們完成了高頻節能控制開關電源型電路系統的總體設計，通過實驗調試，主電路和控制電路的設計參數完全符合要求，這就為高頻控制開關電源電路的研制提供了一種切實可行的方案。

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