基于UC2843的DCM模式下反激式DC-DC變換器仿真研究

王春寧，武　浩，陳明會

(青島大學 自動化與電氣工程學院，山東 青島 266071)

0　引　言

許多家用電子產品大都采用反激開關電源給用電設備提供電源，以及在變頻電源中作為輔助電源，在電子儀器自控裝置中也要給各種模擬及數字電路提供多路供電電源。因此本設計以UC2843 PWM電流型控制芯片為核心，搭建了電壓范圍 (180 V～250 V) 交流輸入，多路直流電壓穩定輸出的40 W開關電源，具備體積小、效率高、性能穩定等優點。

1　設計要求

輸入：AC 180 V～250 V；

輸出：DC +15 V(±0.1 V)，1 A(兩路)

DC +5 V(±0.3)，電流2 A；

效率：80%；

工作頻率：140 kHz。

2　反激開關電源硬件設計

2.1　開關電源工作原理概述

UC2843是一款高性能的固定頻率電流型控制芯片，多用于離線式直流變換電路設計，其內部結構如圖1所示，它的內部集成有誤差放大器EA、電流檢測比較器、PWM鎖存器(由RC觸發器實現)和PWM邏輯單元、振蕩器OSC、互補功率放大輸出單元、欠電壓保護電路、標準的5 V參考源、“圖騰柱”輸出端和其他一些輔助電路等。

反激電源仿真圖如圖2所示，開機后，220 V交流電經熔斷絲和熱敏電阻NTC后，經全橋整流濾波后得到310 V左右的直流電，通過一個啟動電阻Rstart和電容C給芯片提供工作電流。由三端穩壓器TL431和線性光耦PC817構成片外隔離放大器，反饋信號直接送入芯片的COMP端。該信號與電流采樣端ISEN信號比較得到輸出驅動信號，進而控制開關管通斷，最終穩定輸出電壓。

圖1　UC2843內部結構圖

圖2　反激電源仿真圖

2.2　軟啟動

啟動時，電容C10兩端電壓緩慢上升，通過二極管鉗位COMP端電壓，從而控制占空比緩慢展開，進而完成軟啟動過程。

2.3　斷續模式下部分參數取值

DCM模式反激變換器，輸入到輸出的電壓增益是由占空比和負載條件同時決定的，這使得DCM 模式的電路設計變得更復雜。但是，如果在DCM 模式與CCM 模式的臨界處(BCM 模式)、輸入電壓最低(Uin min_DC)、滿載條件下，設計DCM 模式反激變換器，就可以使問題變得簡單化。

(1)反射電壓：

(1)

式中，Dmax=45%。

(2)輸入最小直流電壓

Uin min_DC=180×1.414V=254.52V

(3)MOS管耐壓值：

Uds max=Uin max_DC+Uor=561.74 V

(2)

實際取1 000 V。

(4)Ct=1.5 nF，Rt=8.2 kΩ

(5)變壓器各參數

一次側電感量：

(3)

式中，Pin=50 W，DCM模式下電流紋波系數KRF=1，CCM模式下KRF

(4)

(5)

其中：

(6)

(7)

磁芯選擇：開關電源設計中，鐵氧體磁芯是應用最廣泛的一種磁芯，可被加工成多種形狀，以滿足不同的應用需求，如多路輸出、物理高度、優化成本等。

本設計選用EI33型磁芯復合輸出功率要求，而后進行如下計算：

匝

(8)

實際取Np=33匝，其中ΔB取0.21，Ae取118.5 mm2。

式中，UF為二極管正向導通壓降，取0.8 V。

繞組線徑：Dp=0.35 mm，Ds1=1.85 mm，Ds=1.12 mm，Da=1.85 mm。

3　仿真結果與分析

經過仿真驗證了本設計的可行性，圖3與圖4所示為saber環境下，各個繞組的輸出結果以及MOS管漏極電壓和驅動波形。

圖3　繞組電阻不同時的輸出電壓

圖4　UC2843PWM輸出占空比與MOS管漏源極電壓

由圖4可見，變換器工作在斷續模式下，并且占空比在不斷變化以穩定輸出電壓。經過仿真驗證，由于15 V繞組輸出帶有反饋環節，所以輸出電壓比較準確，紋波較小；5 V繞組沒有反饋環節，所以電壓存在較大偏差。輔助繞組電壓有爬坡現象，可見啟動電阻奏效；選取的MOS管耐壓值滿足要求。

輸出電壓在滿載和輕載時均能滿足設計要求，而且電路運行穩定，可靠性較高，效率能達到預期，本設計滿足預期要求。

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