基于UC3844的反激式開關電源設計

張 波，汪義旺，凌湘斌

(1.蘇州市職業大學電子信息工程學院，江蘇蘇州215104;2.江蘇省光伏發電工程技術研究開發中心，江蘇蘇州215104)

0 引言

電源設計在電子產品的設計中舉足輕重。開關電源以其輕小高效的優點應用越來越廣，已成為直流電源中的主流［1］。開關電源在控制電路的實現上有三種方法:(1)完全由分立元件實現，這種方法所需元件眾多，設計者需要設計整個系統并確定元件參數，電路過于繁雜，很少采用;(2)以專用集成控制器為核心來實現，這種方法所需元件較少，電路簡潔，且控制精準，是目前采用最多的一種方式;(3)由微控制器來實現，這種方法對電源設計者編程有相應要求，采用的也不多，一般在高檔電源中采用。本文基于專用集成控制器UC3844設計了一款實用的性能優良的開關電源。

1 UC3844的功能及特點

UC3844是一種固定頻率的電流模式高性能PWM集成控制器，設計應用于離線和直流到直流變換。UC3844的內部結構框圖如圖1所示，常見的有DIP-8和SO-14兩種封裝，圖1括號中的數字對應于SO-14封裝，SO-14封裝有一些空引腳。該集成電路集成有振蕩器、高增益的誤差放大器、電流取樣比較器、帶溫度補償的電壓參考和大電流圖騰柱輸出，可直接驅動MOS管。此外它還帶有逐周電流限制、欠壓鎖定、單個脈沖測量鎖存等保護功能。UC3844欠壓封鎖導通電壓為16 V，也即啟動電壓為16 V，工作后關斷門限電壓為10 V，也即加在7(12)腳上的電壓低于10 V時芯片輸出驅動信號關閉;振蕩器外接的電阻電容決定了振蕩器的工作頻率，電阻電容連接方式是固定的，如圖1所示，電阻電容大小確定，振蕩器工作頻也就確定了，最高振蕩頻率達1.0 MHz;輸出是一個單圖騰柱輸出級，是專門設計用來驅動MOSFET的，在1.0 nF負載時能提供達±1.0 A的峰值電流和典型值為50 ns的上升下降時間;參考電壓部分能對內外提供5.0 V±4%(25℃時)的基準電壓參考。

相對于電壓模式，電流模式的開關電源反饋信號既有電壓信號也有電流信號，為雙閉環系統，是一種固定時間開啟，給定電壓信號、反饋電壓信號和反饋電流信號共同決定其關斷時刻的控制方法［2］。振蕩器每一個周期開始時刻輸出高電平，使脈寬調制鎖存器輸出高電平，芯片6(10)腳輸出高電平;誤差放大器的同向輸入端接受由內部參考電壓經分壓后提供的基準電壓，其反向輸入端的信號來自開關電源的輸出電壓，也即電壓反饋信號;而誤差放大器的輸出作為電流取樣比較器的反向輸入端的輸入信號，來自開關電源的電流取樣信號作為電流取樣比較器的同向輸入信號。當電流反饋信號大于由誤差放大器輸出決定的電流取樣比較器的反向輸入端信號時，電流取樣比較器輸出低電平，鎖存器翻轉變為低電平，從而芯片6(10)腳輸出變為低電平。從圖1的結構圖中易于看出，由于有T觸發器，所以芯片6(10)腳輸出的PWM信號的頻率只有振蕩頻率的一半，即最高為500 kHz，最大占空比小于50%，這也是它和UC3842的主要區別。

圖1 UC3844內部結構框圖

2 單端反激式DC/DC變換

DC/DC變換器有輸入輸出無隔離即“直通”型和輸入輸出隔離型兩種類型。單端反激式是輸入輸出隔離型的一種單管DC/DC變換器，如圖2所示。單端是指變壓器僅有單一方向的磁通，僅工作在其磁滯回線的第一象限［3］。反激是指在開關管VT導通時變壓器沒有能量傳遞到負載，此時變壓器原邊作為電感存儲能量［4］，能量是在開關管VT斷開時由變壓器傳遞給負載的。開關VT導通時變壓器原邊電壓上高下低，副邊電壓則下高上低，二極管VD承受反壓，副邊無電流，變壓器相當于一個電感L1在存儲能量;開關管VT斷開時，變壓器副邊感應電壓極性翻轉，VD導通，變壓器存儲的磁能通過L2供給負載。

圖2 單端反激式主電路

從電路工作過程上看，單端反激式變換器可認為是把非隔離式的Boost-Buck變換器的電感換成了變壓器，其輸出電壓與輸入電壓之間關系:

式中，D是占空比;n為變壓器原副邊變比。由式(1)易知開關管在截止時加在開關管上的電壓:

為了防止開關管在關斷時承受過高電壓而損壞，設計無工頻變壓器的單端反激式變換器的占空比D≤50%［5］。同樣，不能讓負載開路引起輸出電壓劇增而損壞功率管。

3 采用UC3844設計的多路輸出的開關電源

圖3 采用UC3844設計的多路輸出的開關電源

圖3是所設計的基于UC3844的多路輸出的開關電源。開關管Q1、高頻變壓器T1、二管D7、電感L1、電容C7、C8(共三路對外輸出，另兩路分別為二極管D3、電容 C1、C2和二極管 D10、電容 C10、C11)構成單端反激式變換的主電路。交流電源經抗干擾電路和二極管橋式整流、電容濾波環節后加在變壓器T1的原邊。電路還沒有電壓輸出時，整流濾波后的直流電經電阻R1、R3與 R4分壓后加在 UC3844的7腳給它供電，電路啟動后，變壓器T1的另一副邊經D8整流和C14、C15濾波后給芯片UC3844供電。電阻RS和開關管Q1串聯在一起，Rs是電流取樣電阻，其取樣信號經R11送給UC3844的3腳。三路輸出中+5 V這一路能提供的電流最大，是主輸出，電壓取樣信號取自該路輸出，控制電路使主輸出穩定，由于變壓器T1各部分匝數一定，所以另兩路也能實現穩定輸出。電壓取樣電路由三端可調式精密并聯穩壓器TL431和線性光耦PC817構成，是開關電源中典型的電壓反饋電路。+5 V電壓經電阻R13、R14分壓，連接處和 TL431的基準端 UREF相連，此路輸出電壓高于5 V，基準端UREF得到的電壓高于2.5 V時，TL431中相當于陽極和陰極導通，光耦中發光二極導通，由于光耦輸出C端和UC3844的1腳相連，1腳電位被拉低。1腳是芯片中誤差放大器的輸出端，對應于電流取樣比較器的反相輸入端，根據前面對芯片分析可知，這會使芯片輸出的PWM信號立刻變低，占空比D變小，輸出電壓降為5 V。芯片中RT、CT是一種固定接法，前面介紹芯片時已提及，芯片輸出的PWM信號從6腳輸出經R9后直接驅動MOS管Q1;R2、C3和D6構成RCD無源鉗位電路，抑制變壓器T1原邊漏電路產生的影響，保護開關管Q1。設計中光耦PC817的輸出信號未接到UC3844的誤差放大器的反向輸入端2腳，而接到了誤差放大器的輸出1腳，這是另一種反饋接法。

該電源額定功率為75 W，其中主輸出+5 V額定電流為10 A。圖4是開關電源工作時功率開關管Q1漏源極上電壓波形。實驗結果表明，該電源主輸出電壓為5 V±5%，性能穩定可靠，效率在85%以上。

4 結論

基于電流控制型PWM芯片UC3844的開關電源具有外圍電路簡單、安裝與調試方便、性能優良等優點，電路通過高頻變壓器實現輸入與輸出的隔離，而且很容易通過增加變壓器副邊匝數來實現多路輸出。UC3844價格低廉，性價比高，其在中小功率的開關電源中會有很好的表現。

圖4 MOS管漏源極上電壓測試波形

［1］張 波.開關電源的優點及應用［J］.電氣開關，2007，45(1):39-40，43.

［2］閆福軍，梁永春.一種光伏發電系統中輔助電源設計［J］.電力電子技術，2010，44(8)，14-16.

［3］劉毅莉，付賢松，張金建，等.一種有穩定輸出的單端反激式LED開關電源的設計［J］.天津工業大學學報，2012，31(3):52-55.

［4］陳德康.脈寬調制器UC3842在開關電源中的應用［J］.西南科技大學學報，2005，20(2):27-30.

［5］侯振義，夏 崢，柏雪倩，等.直流開關電源技術及應用［M］.北京:電子工業出版社，2007.