1、開關(guān)電源電路設(shè)計(jì) 李竫， 沈偉吉， 高偉玲， 顧佳坤， 繆申捷， 蔚蘭 （上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣學(xué)院）摘要：本文從單端反激開關(guān)電源、單端反激變換器變壓器、IGBT驅(qū)動電路，這三個方面入手，把開關(guān)電源電路細(xì)化、分類討論設(shè)計(jì)。本文用UC3844芯片設(shè)計(jì)單端反激開關(guān)電源電路，用316J芯片設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動電路。組成了開關(guān)電源電路，解決了高頻開關(guān)電源的控制。關(guān)鍵字： 單端反激開關(guān)電源； UC3844； 316J中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：The switching power circuit design LI jin, SHEN wei ji, GAO wei ling, GU jia kun,

2、MIAO shen jie, YU lan College of Electronic Engineering, Shanghai University of Engineering ScienceAbstract：This article put emphasis on three aspects-single-ended flyback switching power supply, single-ended flyback transformers and IGBT driver circuit. Which goes deep into switching power supply c

3、ircuit and discusses the design in categories. This article says using UC3844 to design single-ended flyback switching power supply circuit, and using 316J to design IGBT driver circuit. Thus build up the switching power supply circuit and solve the problem of the control of high-frequency switching

4、 power supply.Key words: single-end flyback converter switching power; UC3844; 316J 0 引言隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們的生活、工作有著密不可分的關(guān)系，而開關(guān)電源是設(shè)備中不可或缺的一部分。在工業(yè)自動化控制、軍工設(shè)備、科研設(shè)備、LED照明、工控設(shè)備、通訊設(shè)備、電力設(shè)備、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體制冷制熱等領(lǐng)域都能看到開關(guān)電源產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用。當(dāng)1955年美國羅耶（GH.Roger)發(fā)明了自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器，標(biāo)志著實(shí)現(xiàn)高頻轉(zhuǎn)換控制電路的開始。隨后，在1957年美國查賽（Jen Se

5、n)發(fā)明了自激式推挽雙變壓器，1964年美國科學(xué)家們提出取消工頻變壓器的串聯(lián)開關(guān)電源的設(shè)想，這一舉動對電源向體積和重量的下降獲得了一條根本的途徑。到了1969年由于大功率硅晶體管的耐壓提高，二極管反向恢復(fù)時間的縮短等元器件改善，終于做成了25千赫的開關(guān)電源。開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)節(jié)（PWM）控制和MOSTET構(gòu)成，它是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管關(guān)斷和導(dǎo)通時間的比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關(guān)電源的發(fā)展方向是將其高頻化，高頻化能使開關(guān)電源小型化，并使開關(guān)電源能適用在更廣泛的領(lǐng)域，尤其是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、 輕便化。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)

6、約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。 基于電流控制型PWM芯片UC3844的單端反激式開關(guān)電源是靠改變調(diào)整管的導(dǎo)電時間和截止時間的相對長短來改變輸出電壓的大小，它具有外圍電路簡單、安裝與調(diào)試方便、性能優(yōu)良等。本文利用了選定AP這一參數(shù)來確定磁芯的型號，并通過型號所提供的參數(shù)從而計(jì)算出變壓器的原邊、副邊的匝數(shù)和所需要的氣隙大小。IGBT對驅(qū)動電路有一些特殊要求，本文選用316J芯片可以提供了一個更好的驅(qū)動環(huán)境，驅(qū)動電路性能的優(yōu)劣是其可靠工作、正常運(yùn)行的關(guān)鍵所在。1單端反激開關(guān)電源的設(shè)計(jì)1.1.單端反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì) 圖1所示的電路是一個多路輸出型單端反激式開關(guān)電源, + 18 V用于反饋副邊電

7、壓，5組+ 18V和-7V分別用于IGBT的驅(qū)動電源。 交流電源接通后經(jīng)過整流得到的直流電壓通過電阻R32組成啟動電路, 當(dāng)(C63 + C65)上的充電電壓達(dá)到啟動電壓時電路啟動。當(dāng)電容C63上的電壓即UC3844的7腳電壓高于16 V時為芯片提供大于16 V的啟動電壓芯片啟動后由反饋繞組提供維持芯片正常工作需要的電壓。當(dāng)電路正常工作時,由反饋繞組對UC3844的進(jìn)行供電。反饋電壓不是來自輸出電壓,而是來自變壓器原邊側(cè)的電壓,因此有較快的響應(yīng)速度。當(dāng)輸出電壓降低時,變壓器的反饋繞組上產(chǎn)生的反饋電壓也降低,該電壓整流后經(jīng)R29、R27進(jìn)行分壓，然后送入UC3844的引腳2,與基準(zhǔn)電壓比較后經(jīng)誤

8、差放大器放大,使UC3844引腳6的驅(qū)動脈沖占空比增大從而使輸出電壓升高,以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。 此電路具有過電流保護(hù)功能，當(dāng)開關(guān)管Q1過電流時，電流取樣電阻R38兩端的電壓經(jīng)濾波后送入UC3844的腳3。當(dāng)R38上的電壓達(dá)到1 V時，電流比較器動作使開關(guān)管Q1關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)。 UC3844芯片內(nèi)部振蕩器的振蕩頻率由引腳8與4腳之間的電阻R31和4 腳到地的電容C59 來決定，即 ： （1） 由于UC3844內(nèi)部有個分頻器,所以驅(qū)動MOSFET功率開關(guān)管的方波頻率為芯片內(nèi)部振蕩頻率的一半。圖1中變壓器原邊旁的緩沖電路是由電阻R36、電容C67、二極管D3組成的，它們是用于限制高頻

9、變壓器漏感造成的尖峰電壓。MOSFET功率開關(guān)管旁邊的電阻R39、電容C68、二極管D4的作用是防止MOSFET在關(guān)斷過程中承受過大的反向電壓。 單端反激式開關(guān)電源以MOSFET功率開關(guān)管的周期性導(dǎo)通和關(guān)斷為主要特征。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時,變壓器原邊繞組導(dǎo)通使原邊電感線圈內(nèi)不斷儲存磁能。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時,變壓器將原邊電感線圈內(nèi)儲存的磁能通過整流二極管向負(fù)載釋放。此電路結(jié)構(gòu)簡單, 容易布線, 成本低。但是UC3844的采樣電壓不是從輸出端取到 圖1 單端反激式開關(guān)電源 的，因此輸出電壓穩(wěn)壓精度不高只適合于用在負(fù)載較小的場合。2.單端反激變換器變壓器設(shè)計(jì)2.1標(biāo)稱功率Pt的確定 (2) 2.2 功率容量A

10、p 的確定 因?yàn)榉醇な阶儞Q器的功率較小，所以一般選用鐵氧體磁心作為變壓器，其功率容量Ap的計(jì)算公式如下 (3)式中：是磁心截面積（） 是磁心窗口面積（） 是變壓器的標(biāo)稱輸出功率（） 是磁心工作的磁感應(yīng)強(qiáng)度（） 是線圈導(dǎo)體的電流密度，通常取23 （） 是變壓器的效率，通常取0.80.9 是窗口的填充系數(shù)，通常取0.20.4 是磁心的填充系數(shù)，對于鐵氧體通常取1.02.3 磁芯型號的確定 根據(jù)得出的Ap，選定磁心的型號，EE型大都符合該要求，所以假設(shè)所得Ap為2則選定EE40型號的鐵心型號。2.4 最大占空比的確定 (4)式中： 是反射電壓（V） 是電網(wǎng)最小值（V） 是開關(guān)管正向?qū)ㄆ骄妷褐?，?/p>

11、常取10V2.5 原邊匝數(shù)的確定 根據(jù)所得的最大占空比數(shù)確定最大導(dǎo)通時間Ton.，以及原邊的匝數(shù)Np (5)式中：是原邊匝數(shù) 是原邊所加直流電壓（V） 是導(dǎo)通時間（）， (6) 是工作頻率，通常取30K (7) 是交變工作磁密（mT），為30KHz時通常取234mT 是磁心有效面積（）2.6 副邊匝數(shù)的確定2.6.1 原邊繞組每匝伏數(shù)確定 每匝伏安數(shù)確定如下 (8) 2.6.2 副邊匝數(shù) (9)式中：是副邊所需電壓，其中包括輸出電壓，整流二極管壓降一般取0.7V，繞組壓降和具體的輸出電路有關(guān)，需自行確定。 因副邊匝數(shù)由副邊所需電壓與每匝伏數(shù)比值求得，所以通常所計(jì)算出的副邊匝數(shù)為小數(shù)，考慮到副邊

12、低壓大電流，應(yīng)避免使用半匝線圈又考慮到磁心磁路的飽和（E型易飽和），使得變壓器調(diào)節(jié)性能變差，應(yīng)此取大的整數(shù)。2.6.3 選定占空比下的輔助輸出匝數(shù)因副邊取整的原因，每匝的反激電壓發(fā)生變化，必須調(diào)節(jié)占空比維持伏秒值相等。 (10)匝數(shù)確定與副邊相同2.7 磁心氣隙的確定2.7.1 原邊電感的確定 (11) 式中：是通過所選取的磁芯材料查表得到 是通過式5所求出的原邊匝數(shù)2.7.2 磁心氣隙的確定 (12) 式中：是氣隙長度（mm） 是 是原邊匝數(shù) 是原邊電感（mH）圖2 HCPL-316J內(nèi)部原理圖 是磁心面積（）3 IGBT驅(qū)動電路和芯片選擇圖3驅(qū)動電路 驅(qū)動電路它分為：分立插腳式元件的驅(qū)動電

13、路；光耦驅(qū)動電路；厚膜驅(qū)動電路；專用集成塊驅(qū)動電路。本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動電路采用的是光耦驅(qū)動電路。驅(qū)動電路的主要邏輯部件是芯片，它控制IGBT管的導(dǎo)通、關(guān)斷并且保護(hù)IGBT。市場上有多種芯片如EXB8系列、M579系列和IR21系列等，選擇合理的芯片顯得很重要，本文選擇HCPL-316J。選用HCPL-316J可實(shí)現(xiàn)二種功能 （1）欠壓鎖定功能（UVLO） 當(dāng)IGBT開始時，芯片供電電壓由0V逐漸上升到工作電壓（12V15V）。如果此時芯片有輸出，那么就會造成IGBT門極電壓過低，那么IGBT芯片會工作在線性放大區(qū)，可能導(dǎo)致IGBT發(fā)熱燒毀。316J芯片中的UVLO功能可解決此問題。圖2中若輸入電壓

14、小于12V時，輸出電平為低電平使得IGBT關(guān)斷，達(dá)到保護(hù)芯片IGBT的功能。（2）過流保護(hù)功能由圖2可以看出芯片316J中存在內(nèi)置的7V電平，當(dāng)檢測到由IGBT中C，E兩級端輸出電壓超過7V時，316J芯片輸出低電平使得IGBT關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)功能。3.2 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)整個驅(qū)動電路的作用相當(dāng)于一個光耦隔離放大電路。它的核心部分是芯片HCPL-316J。HCPL-316J左邊的VIN+，F(xiàn)AULT和RESET分別與控制器芯片（多為DSP芯片）相連，。引腳3 與6間的電阻起到了對故障信號的放大，3與4之間的電容有濾波作用，當(dāng)有干擾信號后，能讓HCPL-316J正確接受信息。在輸出端，Rg和0.1uF關(guān)系到IGBT開通的快慢和開關(guān)損耗，增加C7可以明顯地減小。引腳16與14間的C3是一個非常重要的參數(shù)，最主要起充電延時作用。當(dāng)系統(tǒng)啟動，芯片開始工作時，由于IGBT的集電極C端電壓還遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于7V，若沒有C3，則會錯誤地發(fā)出短路故障信號，使輸出直接關(guān)斷。當(dāng)芯片正常工作以后，假使集電極電壓瞬間升高，之后立刻恢復(fù)正常，若沒有C3，則也會發(fā)出錯誤障信號，使IGBT誤關(guān)斷。4、 結(jié)論本文根據(jù)各電路的不同特點(diǎn)和需求，單端反激