基于UC3845的單端反激AC-DC充電器的研究

0 引 言

電力電子技術的快速發展使得形式多樣的電子產品朝著便攜式和小型輕量化的方向發展，也使得更多的電氣化產品是基于蓄電池的供電系統而設計。工業上需要一種鉛酸蓄電池充電裝置，它既能為柴油發電機組的蓄電池充電，也能為汽車的蓄電池充電。在高壓高磁的惡劣環境下，它能穩定持續的給蓄電池充電，并且能夠自動檢測蓄電池電量，在蓄電池容量飽和時，適當減小充電電流，使蓄電池能夠快速穩定的充滿電，從而保護蓄電池壽命［1］。因此，本設計目的在于使這個充電器能在電磁干擾、機械振動的惡劣的環境下有效穩定持續的工作。

開關電源與一般線性電源的不同：線性電源的電壓反饋電路是工作在線性（放大）狀態，開關電源是作用于電壓調整的管子，工作在飽和與截止區，即開關狀態。線性電源一般是將輸出電壓取樣后，與參考電壓一起送入比較電壓放大器，此電壓放大器的輸出作為電壓調整管的輸入，用以控制調整管使其結電壓隨輸入的變化而變化，從而調整其輸出電壓。而開關電源是通過改變調整管的開和關的時間即改變占空比來改變輸出電壓的。

目前市場上現有的AC-DC模塊的輸入電壓一般只有幾十伏，國外最高的也只有380 V，因此，需要對這種AC-DC模塊進行研制。在各種AC-DC變換電源中，因為單端反激式開關電源對多路輸出的負載有較強的自動均衡能力，因此本課題是基于UC3845的單端反激AC-DC充電器的設計。

1 系統設計

本課題所研究的AC-DC開關電源是專為工業發電機組的蓄電池充電而設計，它通過核心器件UC3845來調整輸出脈沖的寬度，從而控制開關器件導通和截止，以達到使電路輸出穩定電壓電流的目的。其原理圖如圖1所示。

此開關電源工作原理：充電過程中當輸出電壓有變化時，TL431內部參考電壓也隨之增大或減小，導致流過TL431的電流增大或減小，于是，光耦CNY17發光加強或減弱，感光端得到的反饋電壓也隨之變大或減小，UC3845在接受這個變大或減小的反饋電壓后，與其內部的基準電壓進行運算比較，減小或增大占空比，即減少或增大MOSFET的開關時間，使輸出電壓也隨之改變。基于該原理可以將開關電源的研究內容分成三個模塊：輸入模塊、驅動反饋模塊、輸出模塊。其中驅動反饋模塊為核心部分。

圖1 開關電源原理圖

圖2 單端反激式拓撲電路

2 主要運用的三種技術

2.1 單端反激式技術

單端反激式開關電源是指變壓器只有一個原邊繞組，且電流方向不改變，利用原邊電流關斷時，原邊產生的反激電壓向負載輸出電流。反激式（Fly-back）電路拓撲是最基本的功率變換電路結構之一，因結構簡單、元器件數量少和設計方便等優點而廣泛應用于電視機、DVD和充電器等小功率電器的電源中［2］。反激變換器工作原理與Boost電路相似，可以看作隔離式Boost電路，在開關管導通時變壓器原邊電感儲能，關斷時能量經副邊輸出傳遞給負載。圖2為單端反激式電路拓撲結構。

（1）單端反激式電路原理

當開關管Q導通，原邊繞組接通直流高電壓電源，副邊由于整流二極管承受反向電壓而截止，原邊電流Ii隨時間線性增加，開關管導通時間越長，電流越大，變壓器儲能越大；當開關管Q關斷，原邊電流Ii迅速回0，副邊反激電壓使整流二極管導通，變壓器向負載輸出電流，變壓器儲能下降［3］。

（2）反激式變壓器的優點［4］

反激式變壓器的優點有：

a.電路簡單，能高效提供多路直流輸出，因此適合多組輸出要求；

b.轉換效率高、損失小；

c.變壓器匝數比值較小；

d.輸入電壓在很大的范圍內波動時，仍可有較穩定的輸出，目前已可實現交流輸入在85～265 V間，無需切換而達到穩定輸出的要求。

2.2 電壓電流雙閉環控制

UC3845管腳手冊中的1腳為電壓反饋補償端，2腳為電壓反饋輸入端，3腳為電流反饋輸入端。

電壓反饋電路是通過輸出電壓的變化，而引起光電耦合器PC817上的電流變化，從而去控制UC3845，調節占空比，達到穩定輸出電壓的目的。

從原理圖中可知，當場效應管導通時，整流電壓加在變壓器T初級繞組Np上的電能變成磁能儲存在變壓器中，在場效應管導通結束時，Np繞組中電流達到最大值Ipmax，根據法拉第電磁感應定律：

式中，E為整流電壓；Lp為變壓器初級繞組電感；Ton為場效應管導通時間。

在場效應管關閉瞬間，變壓器次級繞組放電電流為最大值Ismax，若忽略各種損耗應為：

式中，n為變壓器變比，n＝Np／Ns，Np、Ns為變壓器初、次級繞組匝數。

高頻變壓器在場效應管導通期間初級繞組儲存的能量與場效應管關閉期間次級繞組釋放的能量相等：

式中，Ls為變壓器次級繞組電感；Uo為輸出電壓；Toff為場效應管關閉時間。

所以

上式說明，輸出電壓Uo與Ton成正比，與匝比n及Toff成反比。所以穩定過程為：當輸出電壓有變大趨勢時，TL431內部參考電壓也隨之增大，導致流過TL431的電流增大，于是，光耦發光加強，感光端得到的反饋電壓也就越大。UC3845在接受這個變大反饋電壓后，與其內部的基準電壓進行運算比較，減小占空比，即減少MOSFET的導通時間，使輸出電壓隨之改變而回落（上面的過程在極短的時間內就會達到平衡）。反之，如果輸出電壓出現過低，UC3845將調節輸出脈沖占空比，使之增大，這樣輸出電壓增高，達到穩壓目的。同時，整個電源系統的輸入、輸出通過光耦隔離，UC3845受到的干擾減少。由于本設計對電壓精度要求較高，將電壓反饋信號從補償端（COMP）輸入，不使用UC3845的內部放大器。因此反饋信號的傳輸縮短了一個放大器的傳輸時間，使電源的動態響應更快［5］。

電流取樣反饋是通過采樣電阻把采樣電壓接至3腳。當3腳的采樣電壓小于1 V時，脈寬調制器能正常工作；當3腳的電壓等于或大于1 V時，電流采樣器輸出高電平使PWM鎖存器置0而使輸出封鎖，若故障消失，下一個時鐘脈沖到來將使PWM鎖存器自動復位。

2.3 EMI抗噪聲處理技術

根據電子類產品的電磁兼容標準IEC61000-4的要求，設備本身不能對電網產生影響，也要防止設備受到電網波動而影響使用，所以必須在設備電源輸入端加EMI濾波處理，處理電路如圖3所示。

圖3 電磁兼容抑制電路

共模電感L1／L2的差值電感與電容C1及C2構成了一個π型濾波器。這種濾波器對差模干擾有較好的衰減，C1、C2選用的是薄膜電容。除了共模電感以外，圖中的電容C3、C4、C22及C23是用來濾除共模干擾的。共模濾波的衰減在低頻時主要由電感器起作用，而在高頻時大部分由電容C3及C4起作用，C22和C23吸收市電內帶來的雜波，選用的是陶瓷電容。VDR1是壓敏電阻，為了防止雷擊，F1為熔斷絲，起短路保護作用。

3 調試與測試結果

在新原理圖拿去生產，然后回來測試與調試過程中，還遇到了一些問題，第一次生產的板子上發現輸出電壓無法控制，從而導致輸出端的穩壓電容一直爆掉，之后又引起兩個反饋電阻燒壞，經查明原因為光耦的6個引腳有接線錯誤，導致輸出無法反饋給開關芯片，使輸出電壓一直上升，輸出端所有器件都燒壞。第二次生產的板子上發現電壓無輸出，經查明發現散熱片導致整流管D3的3個引腳接通了，輸出正負端連在一起，所以無輸出。

整改后重新生產板子，繼續調試，在空載時測得波形如圖4。

圖4 空載測試波形

如圖4所示，輸出能夠穩定在26.5 V，紋波不超過1 V，由于沒有負載，所以開關電源充電器一直處在待機狀況，功耗很小。當接上蓄電池負載后，電壓穩定在25.6 V，電流為4 A，給蓄電池恒壓限流充電，當蓄電池電壓上升時，充電電流會逐漸減小，來保護電池壽命，達到快速高效省時的充電要求。

4 結 論

本文設計的開關電源充電器在同一張原理圖的情況下，更換少量元器件能夠實現兩種充電模式，通過樣機實驗證明設計達到了理想效果。整機調試方便，性能可靠，輸出電壓紋波較小，能夠有效地抑制機器本身對電網的影響，又能夠在電網電壓浮動時正常工作。電路主要由三部分組成，即輸入模塊、驅動反饋模塊、輸出模塊，依據這三個模塊設計出了符合要求的開關電源，實現了220 V轉25.6 V、4 A或者13.8 V、6.5 A的恒壓限流充電器的設計，其恒壓限流功能滿足鉛酸蓄電池充電的需求。

［1］ 毛小明，夏東偉，等.基于單端反激電路的實用充電器設計［J］.電源學報，2011，（4）：88-90.

［2］ 郭慶明，何云峰.單端反激式開關電源變壓器［J］.電子設計工程，2010，18（5）：165-167.

［3］ 高曾輝，邵菊香.單端反激式開關電源的恒壓輸出條件及實驗驗證［J］.西南民族大學學報（自然科學版），2004，30（3）：318-321.

［4］ 范立榮.基于UC3844反激式開關電源的設計［J］.通信電源技術，2014，31（1）：34-36.

［5］ 何錦軍，劉曉波.基于UC3842的醫療開關電源設計［J］.科技廣場，2008，（03）：215-217.