運動系統中視覺設備的反激式電源設計及應用

廣州華夏職業學院 劉學文 崔亞楠 邱志興

反激式開關電源由于其設計結構簡單、體積小，在很多的領域尤其是家電領域應用的非常廣泛。另外反激式開關電源有較寬的電壓占空比調幅，并且信號放大器的增益和動態范圍較小，進過改進設計非常適合于工業控制設備中小功率開關電源。本文就將反激式開關電源應用于運動控制系統中的視覺設備，對其進行穩定的供電。

反激型電路的結構簡單，元件數少，因此成本低，廣泛應用于各種功率為數瓦～數十瓦的小功率開關電源，在各種家電、計算機設備、工業設備中廣泛使用的小功率開關電源中基本上都采用的是反激型電路。反激型電路中的變壓器在工作中總是經歷著儲能—放電的過程，工作點僅處于磁化曲線平面的第一象限，利用率低，而且開關元件承受的電流峰值很大，不合適用于較大功率的電源。

1 硬件設計

一個完整的大功率電源一般由以下部分組成：主電路、輔助電源電路、控制電路、驅動電路、采樣電路。輔助電源給控制電路、驅動電路、采樣電路提供穩定的電源。這類電源的電壓等級小于20V、功率小于10W，當輸入是市電220V時，可以看出輸入輸出壓差巨大，且功率不超過10W，所以采用反激電源來設計輔助電源電路。采用UC3843的PWM控制芯片進行設計。UC3843是一款采用峰值電流模式控制的集成PWM控制器，專門用于構成正激型和反激型等開關電源的控制電路。基于UC3843的反激原題圖如圖1所示。

圖1 基于UC3843的反激原題圖

本文采用成熟的國產DK112芯片，具體的產品設計圖如圖2所示。

圖2 產品設計圖

反激式電源設計所用到的器件及其作用。（1）方形保險絲：防爆防阻燃、體積小（還有圓形）。（2）安規電容：電容失效后，不會導致電擊，不危及人身安全的電容器，X電容：輸入線兩端，即火線與零線之間。采用塑封的方形高壓CBB電容nF。Y(Y1或者Y2)：火線到地線之間。零線到地線之間。高壓瓷片電容nF。Y電容用在隔離式開關電源（離線：即不共地）初級與次級地，是為了給次級共模電流提供一個回路到初級，減小共模電流對輸出的影響。（3）共模電感的選擇：依據電感和電流。（4）RCD電容的選擇：CBB（聚丙烯電容），瓷片電容，MLCC(多層陶瓷電容)，RCD鉗位電路，目的是消耗漏感能量，鉗位電壓是反射電壓。TL431兩端接RC，補償作用。（5）光耦輸入端并聯電阻。分壓大于輸入端LED的分壓，小于其極限值。提供工作電流（占空比大時）、反接保護作用。（6）UC3843電流反饋電阻，依據功率了設定。

2 變壓器各參數的設計與計算

參考芯片手冊對DK112反激電源進行重新布線與實驗。根據項目要求的參數重新設計變壓器。系統相關指標為：輸入AC85V-265V，輸出DC12V/1A，開關頻率65kHZ。

2.1 確定反射電壓VOR

反射電壓的定義為開關管關斷時，副邊折算到原邊的電壓。根據芯片手冊選取為100V。

2.2 確定匝比

輸出電壓考慮線路壓降及二極管壓降，輸出電壓為12V+1V=13V，由變壓器原題知匝比為：

2.3 理論上最大占空比

輸入最低電壓時取得最大占空比。整流后最低電壓為：

考慮整流損耗：

根據伏秒平衡原理知：

考慮到效率，最大占空比取0.5。

2.4 磁芯的選擇

電源效率取0.8，輸出功率12W，則輸入功率為15W。簡單查表可知選用EE19較為合適。

2.5 計算匝數

原邊匝數為：

其中交變的磁場取0.2T。

副邊匝數為：

2.6 計算原邊電感量

2.7 線徑的選擇

反激電源0設計工作于連續模式，紋波r取0.5，電流密度取J=4A/mm2。

3 實驗驗證結果

采用普通繞法繞制變壓器，副邊側采用多股并繞以減小集膚效應。完成之后實際測得原邊電感量1.3mH、副邊電感量30uH。將自己繞制的變壓器接入模塊中，電路正常工作。空載狀態下，輸出電壓平均值等于12.2V，存在振鈴，峰值達0.36V，電壓波形和紋波波形如圖3所示。

12W滿載時，輸出電壓平均值等于12.1V，存在振鈴，峰值達0.26V。電壓波形和紋波波形如圖4所示。

圖4 12W滿載時電壓波形和紋波波形

在設計調試反激式開關電源時，發現電感嘯叫，且效率偏低。后期經過調試發現，電感嘯叫是由于進反饋端口的電容用的太大使占空比輸出異常所導致。經過改進設計重新制作后，解決了上述問題，但效率依然偏低。在實驗中，發現只要一上電（電壓大于AC50V），芯片就燒壞，經過問題的排查，發現是繞制的變壓器各參數的設定不是很合理，于是通過計算與仿真分析找到合理的變壓器參數，最終達到了輸入AC100V-265V，輸出DC12V/1A，輸出紋波小于5%，效率80%以上的設計指標。