開(kāi)關(guān)電源原理解析一、系統(tǒng)原理與理論分析計(jì)算本文以UC3842為核心控制部件，設(shè)計(jì)一款DC36V?60V輸入，DC6.5V/4A輸出的單端反激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。開(kāi)關(guān)電源控制電路是一個(gè)電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。變換器的幅頻特性由雙極點(diǎn)變成單極點(diǎn)，因此，增益帶寬乘積得到了提高，穩(wěn)定幅度大，具有良好的頻率響應(yīng)特性。其電路原理圖如圖1所示。圖1電路原理圖1、簡(jiǎn)要介紹其工作原理：本電路有三部分組成：主電路，控制電路和保護(hù)電路。其中主電路采用的是單端反激式電路，它是升降壓變換器的推演并加隔離變壓器而得。此電路的優(yōu)點(diǎn)是：電路簡(jiǎn)單，能高效提供直流輸出，且它是所有電路拓?fù)渲休斎腚妷悍秶顚挼?。這對(duì)于輸入環(huán)境惡劣發(fā)熱負(fù)載時(shí)比較好的。它的缺點(diǎn)是：輸出紋波較大，但這可以通過(guò)在輸出端增加一級(jí)LC濾波器來(lái)減小紋波。這種電路通常適合應(yīng)用在輸出功率在250W以下，電壓和負(fù)載的調(diào)整率在5%~8%左右的電路中。反激式電路也有電流連續(xù)和電流斷續(xù)兩種工作模式，但值得注意的是反激式電路工作于電流連續(xù)模式下會(huì)顯著降低磁芯的利用率，所以本文設(shè)計(jì)電路工作在電流斷續(xù)模式下?？刂齐娐肥情_(kāi)關(guān)電源的核心部分，控制的好壞直接影響電路的整體性能，在這個(gè)電路中采用的是以UC3842為核心的峰值電流型雙閉環(huán)控制模式。即在輸出電壓閉環(huán)的控制系統(tǒng)中增加直接或間接的電流反饋控制。電流模式控制可以使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強(qiáng)，穩(wěn)定域擴(kuò)大，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，消除了輸出電壓中由輸入電壓引入的低頻紋波。保護(hù)電路是開(kāi)關(guān)電源中必不可少的補(bǔ)充，在這個(gè)電路中引入了輸入過(guò)流保護(hù)、輸出過(guò)流保護(hù)、輸出過(guò)壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等。其中輸入過(guò)流保護(hù)是通過(guò)在原邊引入取樣電阻R14,接到UC3842的3腳，當(dāng)R14上的電壓超過(guò)IV,會(huì)關(guān)斷PWM的輸出從而起到保護(hù)作用，輸出過(guò)壓保護(hù)是通過(guò)輸出電壓分壓后送到誤差放大器的反相端，和電壓基準(zhǔn)比較從而來(lái)控制R9的電壓，來(lái)控制UC3842的輸出占空比，達(dá)到輸出電壓穩(wěn)壓的作用。C6用來(lái)濾除芯片反饋網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)誤差比較器的輸出端（1腳）的高頻迭加信號(hào)。R5為開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電阻，一般在10?100Q取值，本電路取22Q。R5越大，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通越慢，開(kāi)關(guān)管上的損耗也越大。R4取10kQ左右，主要是防止MOS管柵極懸空。C10、R10起對(duì)三端穩(wěn)壓管TL431內(nèi)部放大器進(jìn)行相位補(bǔ)償?shù)淖饔?。C7、R13是UC3842誤差放大器的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓時(shí)，電路先由啟動(dòng)電阻R2（43kQ）提供啟動(dòng)電流后，由自饋線圈、二極管FR107、C2構(gòu)成輔助電源，，使UC3842的7腳電壓達(dá)到16V時(shí)，使UC3842啟動(dòng)并有輸出,使MOS開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通,能量存貯在變壓器T1中.此時(shí)，由于二次側(cè)各路整流二極管反向偏置，故能量不能傳到T1的二次側(cè),T1的一次側(cè)電流通過(guò)電阻R14檢測(cè)并與UC3842內(nèi)部提供的1V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)達(dá)到這一電平時(shí),開(kāi)關(guān)管關(guān)斷,所有變壓器的繞組極性反向,輸出整流二極管正向偏置，存貯在T1中的能量傳輸?shù)捷敵鲭娙萜髦?。啟?dòng)結(jié)束后，反饋線圈的電壓整流后經(jīng)取樣電阻分壓回送到誤差放大器的反向端（腳2）和UC3842內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)電壓作比較來(lái)調(diào)整驅(qū)動(dòng)脈沖寬度，從而改變輸出電壓以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的控制。這樣，能量周而復(fù)始地存貯釋放，給輸出端提供電壓。2、電路主要參數(shù)的設(shè)計(jì)1）、反激變壓器設(shè)計(jì)變壓器的設(shè)計(jì)計(jì)算是整個(gè)電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它的設(shè)計(jì)好壞直接影響電源性能。已知要求輸入電壓：Vmin=36VDCVmax=60VDC輸出電壓：Vo=6.5V輸出電流：Io=4A（1）工作頻率和最大占空比確定選定開(kāi)關(guān)頻率f=100kHz，則周期T=10us。因?yàn)閷捿斎朔秶捎秒娏鲾嗬m(xù)模式。在寬電壓輸人時(shí)當(dāng)輸入電壓為最小時(shí)取最大占空比D二0.42，復(fù)位占空max

比D二0.45，保證整個(gè)輸入電壓范圍下(D+D)<1。rr(2)計(jì)算變比：變比可由下式計(jì)算得到：U'xDU'xD i U'xDor式中n為變壓器效率，u'和u'為變壓器初級(jí)電壓和次級(jí)電壓；一般變壓器T i o效率n=0.95~0.98,包含導(dǎo)線銅損耗、磁芯損耗以及漏感引起的籍位損耗，這T里取n=0.95。TU'二U-U，U為輸人電路所有壓降，這里取IV;U'二U+U,U輸出imin imin s s oo2 2電路中所有壓降，包括整流器壓降、電流取樣電阻壓降和線路壓降等，這里取IV。于是有：U'xD i U'xD35x0.427.5x0.450.95=4.36or(3U'xD i U'xD35x0.427.5x0.450.95=4.36or(3)次級(jí)電感量L和初級(jí)電感量L21(U'D丄L=or—，2 2fP'o(U'D丄L二or—二2 2fP'o式中P'為變壓器輸出功率。代入數(shù)據(jù)得:o⑺5x°45）2 二1.9uH2x100x103x7.5x4根據(jù)變比得到初級(jí)電感量L為1L=n2L=4.362x1.9=36.1uH12（4）初級(jí)峰值電流.U'T—ion1p L135x0.42x10361—4.072AIT平均電流丫古ID4.072x0.422—0.855AIpav—-p_on2T(5)選擇磁芯材料和尺寸選擇Magnetics公司P材料，100°C飽和磁感應(yīng)B —0.39T，查磁芯手冊(cè)s100C可知

頻率為100k時(shí)損耗（mw/cm3）與頻率、磁感應(yīng)關(guān)系為:P-0.0434/1.63B2.62（MW/CM3）式中：/為頻率（kHz）,B為磁感應(yīng)強(qiáng)度（kGs）,如果P=100mw/cm,/=100kHz，則解得B二0.109T應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式，則A=p4/3LAA=p4/3LAI I x—AB Kmax26）磁芯選擇36.1x10-6x4.072x0.8550.109x0.0064/3=0.11cm4根據(jù)A=0.11cm4，p（7根據(jù)A=0.11cm4，p（7）計(jì)算匝數(shù)選擇EI-28,其A=0.60cm4p次級(jí)峰值電流12為:=生==17.8A2pD0.45r次級(jí)匝數(shù)：LI 1.9x17.8N= X10-2= X2ABA 2x0.109x0.6maxe10-2二2.58，取3匝，則有:N=4.36x3二13.08，取13匝。初級(jí)匝數(shù)取整對(duì)變比影響很小，占空比、初1級(jí)電流等不必重算。輔助繞組的匝數(shù)根據(jù)UC3842的工作電壓在10—16V，通過(guò)電壓與匝比的關(guān)系，可以確定副邊繞組的匝數(shù)約為7匝。（8）氣隙長(zhǎng)度計(jì)算uxN2xA/ = P EGLp式中l(wèi)g氣隙長(zhǎng)度mm；式中l(wèi)g氣隙長(zhǎng)度mm；u04口x10-7；Np原邊匝數(shù)；原邊電感mH;Ae磁芯面積mm2。代入數(shù)據(jù)得:uxN2xA 4口x10-7x132x83.6門(mén)“0.0361/= p e= =0.49mm0.0361GLp（9）計(jì)算導(dǎo)線尺寸和線圈結(jié)構(gòu)次級(jí)電流有效值I為：2二17.8x二17.8x2rms 2p 30.45二6.89A選取電流密度5A/mm2,導(dǎo)線面積A為2A=689=1.378mm22 5初級(jí)電流總有效值I為二初級(jí)電流總有效值I為二1.52Aprms初級(jí)導(dǎo)線截面積A為1Y=0.2x10-3m兀wireA=—xy2=0.314x10-7m24rms1.52rmsA二prms= =0.304x10-6m2wpJ 5x106cS亠=°.304X10-6=9.68npwireA0.314x10-7取S二10npA—2rms=1.378x10-6m2wsJcAS———43.89nswireA取S—44ns（10）變壓器繞組的繞制結(jié)構(gòu)因?yàn)樽儔浩骼@制結(jié)構(gòu)的好壞，會(huì)直接影響電源輸出的紋波的大小，因而在本電路采用三明治繞法：所謂三明治就是夾層繞法,因結(jié)構(gòu)如同三明治一樣,所以叫三明治繞法.通常會(huì)有兩種繞法：1.一次側(cè)平均法，就是a.最底層繞上一半的圈數(shù),b.然後再繞二次側(cè),c.再繞一次側(cè)的另一半.d.再繞輔助電源.2.屏蔽繞法，就是a.最底層繞上與二次相同的圈數(shù),b?然後再繞二次側(cè),c?再繞一次側(cè)的其它圈數(shù).d.再繞輔助電源.這種方式很少加屏蔽.當(dāng)然還有很多種不同的配對(duì)方式.但基本原理是一樣的.三明治的真正用意就是減小漏感,人為的在一次與二次之間加上一個(gè)寄生電容。、開(kāi)關(guān)管的選擇因?yàn)殚_(kāi)關(guān)管的工作頻率為100kHz,故選擇MOSFET作為開(kāi)關(guān)管，選擇管子的漏極電壓應(yīng)滿(mǎn)足：NU>Ui+UDS(min) oN i(max)2U =60Vdci(max)故U >U'N+U >7.5X13+60二92.5V(忽略漏感引起的尖峰)DS(min) oN i(max) 32取200V漏極電流I：對(duì)于反激式變換器，選擇開(kāi)關(guān)管的額定平均電流時(shí)，大約取最D大輸入平均電流的1.5倍是比較理想的。I二1.5x0.855二1.28AD可以選用管子IRF610(U二200V，I二3.3A)(實(shí)際因沒(méi)買(mǎi)到IFR610的DSD開(kāi)關(guān)管，采用了IRF630(U二200V，I二9A,R 二0.120)代替。DSD DS(on)、箝位電路的設(shè)計(jì)RCD箝位電路的工作原理是：當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，能量存儲(chǔ)在Lp和漏感Llk中，當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)閉時(shí)，Lp中的能量將轉(zhuǎn)移到副邊輸出，但漏感Llk中的能量將不會(huì)傳遞到副邊。如果沒(méi)有RCD箝位電路，Llk中的能量將會(huì)在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷瞬間轉(zhuǎn)移到開(kāi)關(guān)管的漏源極間電容和電路中的其它雜散電容中，此時(shí)開(kāi)關(guān)管的漏極將會(huì)承受較高的開(kāi)關(guān)應(yīng)力。若加上RCD箝位電路，Llk中的大部分能量將在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷瞬間轉(zhuǎn)移到箝位電路的箝位電容上，然后這部分能量被箝位電阻Rc消耗。這樣就大大減少了開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力。

UinUoutRloadUinUoutRload圖2RCD箝位電路

1）由于開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，漏感儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)移到電容C上.，所以11111C（U -U）2-1CU二1L122 1dsmax i 2 1g2 leakp其中，U為開(kāi)關(guān)管S所能承受的最大漏一源電壓，U為初級(jí)電壓，U為dsmax i g電容初始電壓（常設(shè)為零），L為變壓器的漏感值，I為初級(jí)電流峰值。所以，leak p可得出C的表達(dá)式：1LI2C= leakp 1 （U -UJ2-Udsmax ig一般情況下，常將U設(shè)計(jì)為零，這里假設(shè)變壓器的漏感L=2uH，所以g leakC=（U *-U=2[200量0f=3.32nF，取C1=3.3nF，調(diào)試時(shí)取dsmax igC=2.2nF1（2）箝位電路的損耗為：P=1L12fcamp2leakps其中，f為開(kāi)關(guān)頻率，電阻上的損耗可表示為T(mén)OC\o"1-5"\h\zs R1（U -U）2P=dsmax i R1 R1箝位的損耗主要由R造成，所以p=P，?于是可得1 campR1

2(200-100)222(200-100)2取R=6KQ，經(jīng)1R=dsmaxi= 取R=6KQ，經(jīng)11L12f 2x10-6x4.0722x100x103leakps調(diào)試后取R=5KQ1二極管D所承受的反向峰值電壓為：U+NU1inNout2故V>U+NU=60+13X6.5二88.2VR(min) in(max)Nout 32可選管子FR1054）、輸出濾波電容的選型輸出濾波電容的值可以用下式確定。TOC\o"1-5"\h\zI (max)(1-Dmin )C, out(max) minout(min) fVsripple(pk-pk)式中out(式中out(max輸出端的電流的最大值，單位為A;在高輸入電壓和輕載下所估計(jì)的最小占空比Dmin在高輸入電壓和輕載下所估計(jì)的最小占空比Dmin是比較合適的，故下面計(jì)算時(shí)采用0.3）因估計(jì)值為0.3VrippleVripple(pk-pk)期望輸出電壓紋波峰峰值，單位為V。將相應(yīng)的數(shù)值代入上式得廠 1(、(1-Dn) 17.8(1-0.3) 000311“3115匸C=out(max)皿= =0.003115F=3115卩Fout(min) fV 100x103x40x10-3sripple(pk-pk)C=3115uF，額定電壓為10V?？蛇x用3個(gè)1000UF，額定電壓為16V的電out解電容并聯(lián)。5）、輸出整流二極管的選型

N3V>V—(—V 2)=6.5V+60XV=20.3VR(min) out in(max)N 131I沁I=17.8AF(min) 2p可以使用肖特基二極管MBR2530(25A,30V),實(shí)際采用的整流管是(B20100G)其參數(shù)為(IF(av)=20A,VR=100V)6）、UC3842芯片簡(jiǎn)介及振蕩頻率設(shè)計(jì)UC3842是一種高性能的固定頻率電流型脈寬集成控制芯片,是專(zhuān)為離線式直流變換電路設(shè)計(jì)的。其主要優(yōu)點(diǎn)是電壓調(diào)整率可達(dá)0.01%,工作頻率高達(dá)500kHz，啟動(dòng)電流小于1mA，外圍元件少。它適用于20?80W的小功率開(kāi)關(guān)電源。其工作溫度為0?70°C,最高輸入電壓為30V，最大輸出電流為1A，能驅(qū)動(dòng)雙極型功率管或MOS管。UC3842采用DIP-8封裝,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4。2匚電流檢測(cè)比較器R內(nèi)部R2匚電流檢測(cè)比較器R內(nèi)部R偏置參考穩(wěn)

壓器R"脈寬調(diào)制

鎖存圖4、UC3842內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)要求的工作頻率100kHz。振蕩頻率由電阻R15及電容C9決定，取C9=2.2nF，按下式計(jì)算，則有R15=1.8R15=1.8f*C91.8100x10A3x2.2x10A—9=8.18kQ取R13為20KQ的電位器7）、反饋電路反饋電路采用精密穩(wěn)壓源TL431和線性光耦PC817。利用TL431可調(diào)式精

密穩(wěn)壓器構(gòu)成誤差電壓放大器，再通過(guò)線性光耦對(duì)輸出進(jìn)行精確的調(diào)整。如圖2所示，R6、R9是精密穩(wěn)壓源的外接控制電阻，它們決定輸出電壓的高低，和TL431—并組成外部誤差放大器。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，取樣電壓VR9也隨之升高，設(shè)定電壓大于基準(zhǔn)電壓（TL431的基準(zhǔn)電壓為2.5V）,使TL431內(nèi)的誤差放大器的輸出電壓升高，致使片內(nèi)驅(qū)動(dòng)三極管的輸出電壓降低，也使輸出電壓Vo下降，最后Vo趨于穩(wěn)定；反之，輸出電壓下降引起設(shè)置電壓下降，當(dāng)輸出電壓低于設(shè)置電壓時(shí)，誤差放大器的輸出電壓下降，片內(nèi)的驅(qū)動(dòng)三極管的輸出電壓升高，最終使得UC3842的腳1的補(bǔ)償輸入電流隨之變化，促使片內(nèi)對(duì)PWM比較器進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變占空比，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。圖3電壓反饋電路圖反饋電路參數(shù)確定如下：確定電阻R7,R8阻值，由圖3知R7xIf+Uf=（Ika-If）xR8式中，Uf為光耦二極管的正向壓降，典型值取1.2V；If為二極管正向電流，取3mA；Ika為T(mén)L431陰極工作電流，取20mA。為滿(mǎn)足上式，可取R7=470Q，R8=154Q；實(shí)?。篟7=470Q，R8=150Q。誤差檢測(cè)由分壓電阻R6、R9完成，參數(shù)值計(jì)算如下：Vo=（1+空）xVrefR9式中，Uref為T(mén)L431參考端電壓，取2.5V；Uo為輸出端電壓，取6.5V。為滿(mǎn)足上式，可取R9=10kQ,R6為20kQ的電位器，以方便輸出電壓可調(diào)。二、測(cè)試結(jié)果與分析1、 測(cè)試主要儀器：a、 TDS2012B數(shù)字示波器b、 Fluke87III數(shù)字萬(wàn)用表2、 測(cè)試數(shù)據(jù)：測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)附錄。3、測(cè)試結(jié)果分析根據(jù)設(shè)計(jì)電路原理圖做出實(shí)物圖，調(diào)試后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，測(cè)得樣機(jī)的所有功能指標(biāo)，均基本能達(dá)到題目的要求：a、 實(shí)現(xiàn)輸入電壓可調(diào)范圍：36Vdc-60Vdcb、 滿(mǎn)載時(shí)輸入電壓從36Vdc變到60Vdc時(shí)，電源調(diào)整率為0.15%c、 額定輸入電壓時(shí)Io從輕載0.65A變到4A時(shí)，負(fù)載調(diào)整率為0.15%d、 輸出紋波最大為62mVe、 輸入與輸出通過(guò)光耦來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣隔離4、測(cè)試波形用示波器測(cè)輸出紋波時(shí)為防止外界的干擾竄進(jìn)，在探頭上并一個(gè)1uF的電解電容和一個(gè)0.1uF的瓷片電容，測(cè)得的輸出紋波如圖4，圖5為開(kāi)關(guān)管波形a)48V輸入電壓下的輕載0.65A的輸出紋波

Uaustl)=-6.44ml1i?=54.0mUMSira5S.SmUiaTime5.SSSus0*595.SusCurB=22.0mU(a)48V輸入電壓下滿(mǎn)載4A的輸出紋波Uaustl)=-6.44ml1i?=54.0mUMSira5S.SmUiaTime5.SSSus0*595.SusCurB=22.0mU(a)48V輸入電壓下滿(mǎn)載4A的輸出紋波圖4輸出紋波波形(a)48V輸入電壓輕載時(shí)的開(kāi)關(guān)管波形RIGOLSTOF' 去fO-252mU+I.Jid(l：i=3?40usFre-=ii：l：i=110kHzCHI-'-.- 10-0U13［陽(yáng)H350.0U13Time2.000us0*765.2us(b)48V輸入電壓滿(mǎn)載時(shí)的開(kāi)關(guān)管波形

圖5開(kāi)關(guān)管波形(圖中CH1為Ugs兩端的波形，CH2為Uds兩端的波形)5、存在問(wèn)題及改進(jìn)方法A、 輸出的效率偏低。原因是變壓器的漏感太大，二次測(cè)整流二極管的壓降太大，以及開(kāi)關(guān)損耗嚴(yán)重。改進(jìn)的方法，減小變壓器的漏感，繞線時(shí)采用三明治結(jié)構(gòu)，盡量緊密繞制；將二次測(cè)得整流二極管改用通態(tài)壓降較小的肖特基二極管；在開(kāi)關(guān)管加一RCD緩沖器以減小開(kāi)關(guān)損耗。B、 輸出電壓的紋波偏大。原因是濾波電容不夠大，布線時(shí)未考慮到地線回路造成的電