一種基于UC3843的實用性反激電源設計

(福建職業技術學院，福建　泉州　362000)

1　引言

開關電源以節省材料、重量輕、穩壓范圍廣、效率高、性價比高等特點，獲得廣泛應用[1-2]。電流型PWM技術能對負載和輸出電壓進行準確地調整，尤其在限流能力和并聯均流能力更是有很大的突破[3-6]，在中小功率開關電源得到了推廣，Unitrode公司研究出UC3843系列電流型PWM集成芯片是開關電源的專用芯片。

2　反激電源基本原理

由于反激拓撲結構簡單，設計成本低，可靠性高，在中小輸出功率場合應用頻繁，圖1是反激變換器原理圖。其工作過程是當開關管開通時,變壓器原邊繞組上出現電流,并將能量儲存于原邊電感中。由于原邊繞組與副邊繞組極性相反,此時整流二極管D處于反向截止狀態,能量無法傳送到負載，負載上的電流由輸出濾波電容提供。當開關管關斷時,變壓器原邊繞組產生反向電勢,此時整流二極管D處于正向導通狀態，儲存于變壓器的能量向輸出濾波電容及負載釋放。

圖1　反激變換器原理圖

反激拓撲主要有三種基本工作模式：連續工作模式、臨界工作模式、斷續工作模式。

3　電源設計指標

電源設計為斷續工作模式，電氣指標如下：

輸入電壓：85～264Vac

輸入頻率：47～63Hz

輸入電流：<3.6A

功率因數：PF=0.8

輸出功率：30W

輸出電壓：Vo=12V

效率：η=0.8

工作頻率：fs=80×103Hz

電壓調整率：5%(11.4～12.6V)

總輸出電流： Io=2.5A

紋波電壓：<120mV

電壓上升時間：<25ms

電壓下降時間：<25ms

4　反激電源結構框圖與電路

反激電源結構框圖如圖2所示，所設計的電路如圖3所示。電路整體由一個高頻變壓器隔離為一次側與二次側；一次側由EMI濾波，整流電路及電容濾波，RCD吸收電路，功率開關管,相關的輔助電路(啟動電

路，欠壓保護電路，芯片的供電電路等)組成；二次側由整流管，輸出濾波電路組成；反饋網絡主要有TL431與光耦組成誤差放大系統，還有PWM控制芯片。負反饋網絡主要用于減小系統的靜差，使之成為一個穩態性能好，動態響應快，抗干擾能力強的系統。

圖2　反激變換器整體線路框圖

圖3　反激電源電路

5　電路關鍵參數設計

5.1　主功率電路[7]

(1) 高頻變壓器匝數比

設開關管工作時的最大占空比為Dmax=0.5，開關周期為T，一個周期內的最大導通時間為Tonmax=Dmax×T，死區時間Td=0.1×T，輸出整流二極管正向導通壓降Vf=0.7V，根據伏秒平衡得

(1)

n=11.832

(2)計算變壓器的初級側勵磁電感Lp：

變壓器初級側的峰值電流Ipmax

(2)

Ipmax=1.248A

(3)

Lp=6.021×10-4H。

為了防止磁芯飽和，給予一定的余量后，Lp取值應比計算值要大一些，取650μH。

(3)磁芯的選擇

取窗口填充系數Ko=0.2，磁芯填充系數Kc=1，最大磁通密度Bmax=0.16G，電流密度J=4×106A/m2

磁芯面積乘積AP由式(4)求得

(4)

AP=1.831×10-9m4

選擇TDK公司的磁芯，形狀為PQ2620,材質為PC44,可以滿足設計要求，其主要參數為磁芯窗口截面積Aw=60.4mm2，磁芯有效截面積Ae=119mm2

(4)計算變壓器氣隙長度Lg：

(5)

經單位換算后得Lg=3.988×10-4m。

(5)計算變壓器初級側匝數Np1：

(6)

經單位換算后取整得初級線圈Np1=40T。同時求得次級輸出匝數取整得Ns=4T

(6)計算偏置輸出匝數：

設偏置輸出匝數為Np2，此路輸出電壓設定為Vo1=12V,芯片供電反饋次級整流二極管的正向導通壓降是Vf2=0.7V。

(7)

計算偏置輸出匝數得Np2=4T。

5.2　控制電路的設計[8]

控制電路主要是根據控制芯片UC3843對啟動電路、反饋電路、保護電路進行設計。UC3843內部結構框圖如圖4所示。

圖4　UC3843內部框圖

5.2.1啟動電路的設計

當電源開機時，通過啟動電阻給芯片Vcc端的電容充電，直到Vcc端的電壓達到了芯片的啟動電壓VTH_ON，芯片才被激活，從而驅動整個電源系統正常工作。本設計要求最大啟動時間不超過3s。因從市電輸入的電壓經啟動電阻Rst接到UC3843的第7腳，第7腳經濾波電容Cst接地，這樣便可以對芯片充電。參數選擇：UC3843啟動電流約1mA,正常工作時供電電流約為30mA。啟動電流1mA時使UC3843能正常啟動，啟動電阻Rst應符合：

(8)

計算啟動電阻Rst≤111.708kΩ。啟動電容的容值要在10μF以上，確?？梢詢Υ孀銐虻哪芰?，在電壓未達到UC3843的低壓限制之前，就把電源啟動。取Rst=60kΩ,Cst=22μF。

5.2.2反饋電路的設計

圖5為輸出電壓為12V的反饋控制電路，要保證電路可靠工作，需仔細計算選取電路參數。

圖5　反饋電路

(1)R6計算

由于TL431參考輸入端的電流一般為2μA左右，Vref=2.5V，為了防止此端電流影響分壓比和避免噪音的影響，一般取流過電阻R6的電流為參考輸入端的100倍以上，R6可由式(9)計算得到。

(9)

考慮待機功耗的要求，又R6希望大一些，R6取為10kΩ。

(2)R5計算

輸出電壓為12V，TL431的Vref=2.5V

(10)

R5取38kΩ。

(3)R3計算

由于TL431要求有不小于1mA的工作電流，假如光耦原邊沒有電流流過，并且光耦原邊二極管的導通壓降是Vf=1.2V。

(11)

同時考慮功耗，取R3為1kΩ。

(4)計算R1

R1的取值要保證芯片控制端取得所需的電流(假設最小電流1mA,并且PCB17A的CTR=0.8～1.6,取得低限0.8)。要求流過光二極管的最小電流。

(12)

得到IR1min=1.25×10-3A。設計TL431的陽極與陰極之間的電壓差為2.5V，光耦原邊二極管的壓降1.2V。

(13)

R1的最大值得R1max=6.64×103Ω。光耦原邊二極管能承受的最大電流在50mA左右，TL431為100mA，所以取得過R1的電流為50mA

(14)

R1的最小值得R1min=166Ω。 要同時滿足這兩個條件，這里取R1為1K。

5.2.3保護電路的設計

芯片UC3843存在過壓保護、過流保護、欠壓保護。7腳上的Vcc一旦超出它的正常工作范圍就使芯片停止工作，起到過壓保護的作用。當電路上有出現過電流或者短路的情況時，電流取樣電阻Rs的電壓將增大，通過3腳反饋輸入電流比較器的同相端，此電壓大于1V使觸發器復位，芯片6腳輸出低電平，MOS管截止，起到限流保護的作用。芯片內部比較器的反向端電壓恒定為5V，正端為變化的電壓。當個這個電壓不斷下降小于5V時，比較器的輸出則為0，從而起到欠壓保護的功能。

5.3　關鍵器件選型

(1) 功率開關管選型

在選擇開關管的耐壓時，應考慮在最惡劣環境下，開關管所承受的反向電壓。

(8)

計算開關管所承受的反向電壓得Vsmax=494.767V。選擇由Fairchild 生產的源漏極能承受500V，型號為FQPF7N80C的開關管。

(2)NTC熱敏電阻的選?。?/p>

NTC主要作用是限制開機時的浪涌電流，以免損傷破壞器件或誤動作，主要是根據開機涌流的大小確定，可選15Ω左右。

6　性能測試

6.1　工作狀態測試

圖6波形為一次側開關管的D,S極間及G,S極間的電壓，從中可以看出反激電路的開關管能正常工作在斷續模式，符合設計高頻變壓器時的把工作模式設于斷續模式。

圖6　一次側開關管D,S間的電壓

6.2　樣機相關性能測試

對樣機進行相關性能的測試，性能指標如表1所示。

表1　性能指標

從數據可以看出所設計的電源性能符合要求。

7　結論

基于UC3843設計的小功率反激電源，采用了電流環內環，電壓環外環雙環控制。根據負載的大小控制UC3843的2腳的電壓反饋輸入，再根據輸出電壓的多少控制MOS管的導通時間，從而使電壓環建立。設計過程對相關的性能進行綜合考慮，所設計電源實用性高。

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