寬電壓直流輸入雙端反激開關電源仿真與設計

張明 詹佩 袁鑰

（西安西馳電氣股份有限公司 陜西省西安市 710075）

隨著電力電子技術的不斷發展，尤其是開關器件的高頻化、控制策略的性能改進，電力電子產品逐漸趨向于小型化、高效化以及高功率密度化。作為有目共睹的典型特例，以往的大體積、低效率的開關電源逐漸被淘汰，高頻化、小體積、高效率的開關電源越來越得以推廣。

隨著開關電源技術的發展，衍生出了多種類別。根據變壓器輸入輸出繞組是否為同名端，開關電源可分為正激式和反激式；根據拓撲電路不同可分為不對稱半橋、全橋等。相對來說，目前在中、小功率段仍以反激式開關電源為主，究其原因主要有以下兩點：

（1）反激式開關電源在開關導通時勵磁，能量儲存在變壓器中，當開關管斷開后，變壓器中的能量才傳遞給負載，即不能實時傳遞能量，故不適合較大功率；

（2）相對比其它拓撲，正激式開關電源需要額外的磁復位繞組及電路；全橋拓撲元器件多，大功率場合具有一定優勢；不對稱半橋雖然成本低，但損耗較大；最主要的，同等功率下，反激開關電源效率最高。因此，反激開關電源經常用于各種裝置、小系統的供電[1]。

根據變壓器原邊繞組所接開關管的個數，反激式開關電源又可分為單端式和雙端式。其中，單端式應用最為廣泛，常用于工頻交流90-270V；當輸入為較高的直流電壓時，由于單端反激開關管關斷時尖峰電壓較高，對開關管耐壓要求較高，故經常采用雙端反激。通過上面所述，采用雙端反激能夠避免開關管關斷電壓過高帶來的不利，其與單端反激在原理上無太大區別。

隨著計算機技術的不斷發展，針對每個行業的仿真軟件層出不窮；作為電力電子領域代表，PSIM 仿真軟件具有功能齊全、操作簡單等優點，是該領域極其實用的工具。文章借助PSIM 仿真工具搭建了基于UC3844 控制芯片的雙端反激開關電源電路，通過仿真模型驗證電路設計的合理性；通過實物的測試進一步優化仿真模型，從理論和實踐上對同類別雙端反激開關電源的設計具有一定的指導意義。

1 UC3844工作原理

UC3844 是高性能固定頻率的電流模式控制器，該控制器內部集成了振蕩器、基準參考電平、高增益誤差放大器、PWM 發生器以及推挽輸出電路等，還具備過欠壓及過流保護等功能，設計人員只需提供少量外部元件即可滿足設計需求，故經常應用到開關電源設計之中[4]。

當UC3844 應用于反激式開關電源設計時，除了能夠滿足上述保護功能，還需具備以下兩個主要功能：

（1）能夠根據設計需求產生固定頻率的PWM 波，用于控制MOSFET 的導通和關斷。

圖1：雙端反激開關電源閉環控制仿真模型

圖2：DC500V 輸入時滿載閉環仿真

圖3：DC900V 輸入時滿載閉環仿真

為了能夠實現輸出PWM 波頻率可調，控制器預留外部接口，通過設置相應的R 和C 值，即可得到所需的頻率。其計算公式為f=1.72/(R*C)。

（2）借助適當的外圍電壓反饋電路，通過不斷調節PWM 波占空比實現輸出電壓的準確控制。

UC3844 控制器內部集成誤差放大器，可通過將輸出電壓處理后送至電壓反饋端，再配合適當的補償電路；不過該補償方式響應速度較差。一般常用TL431 配合光耦的方式進行電壓反饋處理[3]，直接送到控制器的補償端，控制器根據誤差量的大小實時調節輸出PWM 波的占空比，最終實現輸出電壓的準確控制。

2 雙端反激電源仿真

圖4：DC500V 輸入時滿載測試

圖5：DC900V 輸入時滿載測試

雙端反激拓撲圍繞變壓器為核心，原邊側一般采用兩只MOSFET（金屬氧化物場效應晶體管）及鉗位電路，副邊根據需要設計輸出繞組的個數以及電壓等級。文章設計的雙端反激拓撲，要求原邊輸入直流電壓范圍可以滿足DC500-900V；副邊能夠輸出15V 和24V 兩路直流電壓。

作為一臺設計合理的反激式變壓器，業界已有各種相應的考核指標。最基本的比如電壓、負載調整率，電壓紋波等，再有就是噪音、安規以及電磁兼容等性能的考核[5]。

根據設計要求，分別對UC3844 控制器及外圍電路、雙端反激拓撲電路進行模型搭建，最終本文搭建的雙端反激開關電源閉環控制模型如圖1 所示。通過滿載時不同輸入電壓的測試，進行負載調整率的仿真，結果如圖2、圖3 所示。

仿真結果分別對輸入母線電壓、15V、24V 以及負載電流波形進行記錄，從仿真數據可以看出，該雙端反激開關電源仿真模型可以實現寬范圍直流電壓輸入下的空載、滿載功能；受閉環控制性能的影響，滿載時電壓的跟隨性能并不完美，紋波稍微偏大，但基本可以達到設計要求。

實際應用中，UC3844 需要有單獨的充電回路，當到達工作門檻電壓才正常工作；該充電回路一般時間較長，為避免仿真時間過長，仿真模型直接給定門檻電壓。此外，控制器具備的過欠壓保護、過流保護功能等實現較簡單，本文不再一一羅列。

3 雙端反激電源實物設計

結合仿真模型最終設計了一款具備兩路電壓輸出、額定功率150W 的雙端反激式開關電源。

與仿真模型不同的是，考慮到兩個MOSFET（金屬氧化物場效應晶體管）的源極不在同一個電位，故需要設計兩路互相隔離的驅動電路；變壓器設計方面，為減小漏感帶來的不利影響，采用三明治繞線方式[2]。

對照仿真結果進行實物測試，分別對不同輸入電壓時滿載下的電壓輸出波形進行記錄，分別如圖4、圖5 所示。其中通道1 為24V 輸出，通道2 為15V 輸出，通道3 為負載電流，通道4 為輸入直流母線電壓。

通過對比仿真結果，輸入電壓和負載的變化對實際輸出電壓的幅值有一定影響，但基本與仿真結論一致。至于仿真模型與實際產品的差別，一方面，仿真中變壓器、走線都是理想模型，而實物要受到變壓器自身漏感、PCB 走線等多方面影響；另一方面，環路控制方面，實際產品環路中的元器件雜散參數、檢測位置等都會影響最終控制的精確度。

4 結論

根據雙端反激開關電源的工作原理，搭建了基于PSIM 仿真軟件的仿真模型，通過仿真驗證了電路功能的可行性；在仿真模型的基礎上，結合實際需求設計了一款雙端反激式開關電源，實測結果表明電路功能正常，雖然輸出電壓精度比仿真結果稍差，但整體上能夠滿足設計需求。通過仿真和實際設計驗證，對雙端反激式開關電源的設計積累了大量經驗，縮短了對同類別產品的設計開發周期，具有一定的指導意義。

當然，優秀的產品設計依靠的是不斷的技術提升，不斷的創新突破。通過對比分析可以看出，文章搭建的仿真模型，還存在一定的理想化，所以可以對功能以及簡單的性能進行仿真。要達到實際產品測試的效果，還需在深刻理解其原理的基礎上進一步細化；比如考慮變壓器的漏感、元器件自身的雜散參數等。