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贻陈
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1 第 43 卷第 4 期应用科技 Vol 年 8 月 Applied Science and Technology Aug DOI: / yykj 网络出版地址 :http: / / / kcms / detail / U html 宽电压输入多端输出开关电源的设计施晓勇 1, 吕世家 1 2, 贾昊松 1. 北京机电工程研究所, 北京哈尔滨工程大学自动化学院, 黑龙江哈尔滨摘要 : 设计了一种基于电流型 PWM 控制芯片 UC3842 的多端反激式开关电源, 对芯片外围电路进行了计算, 高频电压器不仅实现了电气隔离和电源的多路输出, 还具有储存能量的作用采用精密并联稳压器 TL431 进行闭环控制, 使用光耦器件作为调节环节, 既可以控制芯片工况又能利用光耦隔离阻断强电对芯片控制电路的干扰提出了一种基于纹波电流选取稳压滤波电容的方法, 将电容的利用率提高从而延长电源的使用寿命最后通过实验验证了设计电路的合理性, 实验表明所设计的电源具有稳压性能优良电压调整率低等优点关键词 : 反激式电源 ;UC3842; 高频变压器 ; 纹波电流 ; 稳压电容中图分类号 :TN86 文献标志码 :A 文章编号 : X(2016) Design of wide-voltage-input multi-output switching power supply SHI Xiaoyong 1, LYU Shijia 1, JIA Haosong 2 1. Beijing Research Institute of Mechanical & Electrical Technology, Beijing , China 2. College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin , China Abstract:A multiple flyback switching power supply was designed based on the current mode PWM control chip UC3842, and the peripheral circuit of the chip was calculated. The high frequency transformer not only achieved the electrical isolation and realization of the multi-output power supply, but also had the function of energy storage. The circuit adopted a feedback circuit with the adjustable precision shunt regulator TL432 and an optocoupler was used as a regulator. It could control the chip and block the strong interference to the chip control circuit with opto coupler isolation. This paper put forward a method to select the regulator filter capacitor based on the ripple current, and improved the utilization rate of the capacitor to prolong the service life of the power supply. At last, an experi ment was carried out, validating the rationality of the circuit design. It also showed that this circuit has many advan tages, such as high stability and low voltage regulation rate. Keywords:flyback power supply; UC3842; high-frequency transformer; ripple current; voltage stabilizing capaci tor 电源装置作为电力电子技术的一个重要应用领域, 近年来得到了飞速的发展, 其中的开关稳压电源朝着高频化集成化的方向发展, 得到广泛的应用由于反激式电源具有电路拓扑简单输入电压范围宽输入输出电气隔离工作稳定可靠等优点, 被广泛应用于电力装置中早期的开关电源多采用电压型 PWM 技术对开关器件进行控制, 近几年逐渐发展出电流型 PWM 控制技术, 电流型 PWM 开关电源系统的稳定性与收稿日期 : 网络出版日期 : 作者简介 : 施晓勇 (1972-), 男, 高级工程师. 通信作者 : 贾昊松, @ qq.com. 动态性能有了很大提高, 而且电压调整率和负载调整率较小, 电流闭环控制策略的使用对开关电源的控制更加精确因此, 小功率开关电源正从电压控制模式向电流控制模式方向转化 [1] 1 基于 UC3842 的反激式电源 1.1 UC3842 芯片简介文中所使用的 UC3842 芯片是美国 Unitrode 公司生产, 单端输出的高性能电流型脉宽调制芯片, 由该集成芯片构成的开关电源有以下几大优点 : 1) 外围电路设计简单 ;2) 电压与负载调整率明显改善 ; 3) 开关频率最高可达 500 khz;4) 内部欠压锁定电

2 42 应用科技第 43 卷压阈值可调并具有过压保护功能 [2] UC3842 一般采用 8 脚双列封装形式, 内部结构如图 1 所示, 各引脚功能如下 : 脚 1 为内部放大器输出, 外接电阻与反馈信号对信号进行补偿 ; 脚 2 是放大器的反相输入, 反馈信号经过分压电阻后连入芯片 2 管脚形成闭环控制 ; 脚 3 为电流采样引脚, 根据采样电阻端反馈的电压值影响 PWM 信号的产生, 防止电路出现过流现象 ; 脚 4 为内部振荡器输入端, 通过电阻与引脚 8 的产生的电压相连, 通过对地电容产生需要的振荡频率, 振荡频率公式为 f = 1.86 / (R T C T ), 开关频率最高可达 500 khz; 脚 5 是内部控制电路和供电电源的公共地 ; 脚 6 为图腾柱式形式, 可直接驱动功率开关器件 MOSFET; 脚 7 是芯片内部集成电路的正电源 ( Vcc); 脚 8 是参考输出引脚, 它通过电阻 R T 向电容 C T 提供充电电流 [3] 图 1 UC3842 内部框图 1.2 反激式开关电路工作原理多段反激式开关电源如图 2 所示图 2 开关管 Q 1 导通期间, 一次绕组电感 Np 电流线性增长, 变压器一次电感作为储能元件储藏能量, 此时, 由于二次绕组同名端的不同, 电压反向故二极管反偏不导通, 负载由电容 C 4 供电 Q 1 关断期间, 储存在一次绕组电感的能量不能突变, 为了保持磁通的连续性, 变压器的电压极性变化, 二次侧二极管导通同时向电容与负载供电, 根据开关管的通断来完成能量由一次侧到二次侧的传输 [5] 在反激电路中, 变压器不仅实现电气隔离与电压转换, 还具有电感的储存能量的作用根据电感值的大小不同, 电路可工作在电流连续与电流断续 2 种模式电路工作于连续模式时 : U o = N 1 α N P ton t in = off U 1 - α Uin n 电路工作在不连续模式下时 : 开关电源系统原理图 U O = U in t on 2T S L P 可见在不连续工作状态下, 输出电压与负载电流成正比关系, 因此反激式开关电源不空载运行为避免输出电压随负载漂移, 加入反馈环节形成闭环控制保证电源的稳定 [6] 2 开关电源电路设计图 2 为系统原理图, 本稳压开关电源的主电路采用单端反激式变换电路, 宽输入交流输入经过整流桥整流, 电容滤波后变为直流电, 供给单端反激式变换电路此变换电路结构利用高频变压器实现电气隔离的同时也实现了整体电路的多端输出 2.1 UC3842 外围电路设计 UC3842 是整个电路的控制中心, 芯片依据反馈 R L

3 第 4 期施晓勇, 等 : 宽电压输入多端输出开关电源的设计 43 回路控制输出 PWM 波, 进而控制 MOSFET 功率管的工作状态, 使电路工作在稳定的状态上因此芯片外围的电路设计至关重要 [7] 如图 2 所示,UC3842 的脚 8 与脚 4 间电阻 R 4 及脚 4 的接地电容 C 11 决定了芯片内部的振荡频率, 驱动 MOSFET 功率开关管的方波频率与振荡频率一致 ; 引脚 7 通过电阻 R 2 与输入端相连, 还与输出 15 V 端相连, 当启动电压达到最低阈值时芯片开始工作, 芯片启动后引脚 7 由 15 V 输出端供电保证芯片工作 ; 与 MOSFET 功率开关管的源极所接的电阻 R 9 是电流取样电阻, 变压器原边电感电流流经该电阻产生电压, 经过由电阻 R 8 和电容 C 12 构成的滤波电路滤掉高频分量将电压值反馈回脚 3, 构成电流控制闭环当回馈的电压值高于 1 V 时,PWM 锁存器将封锁脉冲信号, 对电路启动过流保护功能 ; 稳压管保护 MOSFET 功率开关管工作正常, 保证门极电压不会出现过高情况而至开关管损坏 ; 电阻 R 1 电容 C 2 和快速恢复二极管 D 3 构成了缓冲吸收电路, 由于高频电压器兼做储能电感用, 漏感会较大在 MOSFET 开关管关断时会出现电压尖峰现象, 为了减少电压尖峰对开关管的损坏, 利用 RCD 缓冲电路吸收电压尖峰, 保护电路 2.2 电路反馈稳压原理在与开关管源极相接的电阻为电流采样电阻, 通过产生电压来反应电路中原边侧电感中电流的变化但单纯的反馈电流变化无法控制芯片产生开关管需要的 PWM 发生信号, 因此需要在电流环的基础上加入电压环来控制芯片脚 6 的 PWM 输出电压反馈环节电路如图 3 所示, 电路的反馈稳压原理 : 选取某一 15 V 输出电压为反馈量, 当反馈量升高时, 经串联电阻 R 2 R 6 分压后使得 TL431 参考输入电压值升高,TL431 内部存在 2.5 V 的基准电压值, 参考值高于基准值时, 会降低 TL431 阴阳极间电压, 进而改变光耦二极管两端电压增大流过光耦前端电流值 I f, 进而减小光耦集射极动态电阻, 芯片引脚 1 与集射极相连, 引脚 1 电平变低时, 反馈量经过内部误差放大器引脚 3 的采样电压进行比较后使输出变为高电平,PWM 锁存器复位输出变低, 使得输出脉宽变窄, 较小功率管 MOSFET 的工作时间, 导致传输到二次侧绕组和自反馈线圈的能量降低, 使得 15 V 输出反馈电压 U i 降低, 进而达到稳定电压的目的反之亦然, 总体效果是经过闭环控制稳定电压, 不受前端电网输入或负载变化的影响, 达到了实现输出闭环控制的目的 [8] 图 3 电压反馈回路原理图 3 开关电源电路参数计算 3.1 高频变压器参数计算高频变压器在开关电源中具有能量传输电压变换与电气隔离的作用, 高频变压器性能的好坏关系到电源技术指标和电磁兼容性, 而且对电源效率的影响也比较大, 所以需要对高频变压器进行一定设计, 保证开关电源性能优良 [9-10] 绕组导线线径按下式计算 : d wn = 1.13 I n / J 式中 :d wn 为相应绕组线径,mm;I n 为相应绕组额定电流,A;J 为电流密度,A / mm 2 选取各绕组线径后, 按下式计算在开关工作频率时导线的趋肤深度, 如果导线线径超过趋肤深度, 应选用导线截面积相近的多股线绕制 S = 66.1 / f (1) 式中 : S 为导线趋肤深度, mm; f 为开关工作频率,Hz 本设计所选取的电流密度为 3 A / mm 2, 根据输出要求可以计算出各电流值所对应的线径, 根据式 (1), 可以计算出趋肤深度为 mm, 此次绕制采用双股线绕制高频变压器铁氧体材料的磁芯, 工作磁通密度一般选择在 0.2 ~ 0.25 T 左右, 根据工程经验, 在计算时选取 0.15 T, 根据式 (2) 计算出最小匝数 : N min = U min T 0.5 B A e (2) 在最小输入电压的情况下, 每匝伏特数为 D = U min / N min 原边平均电流如下式计算 : I a = P / U min 在 UC3842 最大占空比的情况下根据面积公式计算出最大电流与平均电流的关系 : I max = 4 I a

4 44 应用科技第 43 卷可得 : 计算一次侧电感, 根据公式 : U = L (di / dt) L min = U min D max I max f 在计算副边匝数的时候, 要根据实际输出电压来计算, 不仅包含应输出电压, 还要计算副边电路里的导通二极管的压降和副边压降, 一般二极管的压降为 0.7 V 副边压降为 0.5 V 则各输出电压对应副边匝数的计算公式为 N x = U out D 3.2 输出滤波电容参数计算反激式开关电源输出整流滤波电路原理简单但是, 由于反激式开关电源的能量传递必须通过变压器转换实现, 变压器的初次级两侧的开关 ( MOS FET 或整流二极管 ) 均工作在电流断续状态在相同输出功率条件下, 反激式开关电源的开关流过的电流峰值和有效值大于正激式桥式推挽式开关电源开关电源的电路拓扑对输出整流滤波电容器影响也是非常大的, 由于反激式开关电源的输出电流断续性, 其交流分量需要由输出整流滤波电容器吸收, 当电感电流断续时输出整流滤波电容器需要吸收的纹波电流相对最大对应的输出整流二极管的电流波形如图 4, 输出滤波电容器的电流波形如图 5 图 4 频域脉冲压缩方法框图关系 : 关系 : 1 2 I LM t on = I O T 则整流二极管电流的峰值为 I Lmax = 2 IO D max (3) 流过输出整流器的有效值电流与峰值电流的 I = I Lmax Dmax 3 (4) 流过整流器的有效值电流与平均值电流的 I = 2 3 D max I O (5) 式中 :I Lmax I I O D max 分别为流过输出整流器的峰值电流有效值电流平均值电流和输出整流二极管的最大导通占空比式 (3) ~ (5) 表明, 随着输出整流器导通占空比的减小, 相同输出电流平均值对应的峰值电流有效值电流随占空比的减小而增加在大多数情况下, 反激式开关电源工作在变压器电流临界或断续状态反激式开关电源的输出整流器的最大导通占空比约为 0.5 这样, 流过输出整流器的电流峰值与输出平均值电流之间的关系为 I Lmax = 2 IO D = 2 I O 0.5 = 4I O (6) 纹波电流是指流过电解电容器的交流电流, 它使得电解电容器发热, 如果纹波电流超过电容器的额定纹波电流, 电解电容的寿命会急剧减少影响整个系统的使用 [11] 根据流过整流管的有效值电流和峰值电流, 可以估算出流过电容器的有效值电流与峰值电流, 在一个周期内对差值进行积分可以得出纹波电流值, 依据纹波电流与输出端电压值来选取合适的稳压电容, 不仅可以稳定电压还可以延长电源使用寿命 4 实验结果与波形图 5 输出整流二极管电流波形由图 4 可以得到流过输出整流器的峰值电流与平均值电流的关系根据电荷相等, 可以得到 : 对上述设计出的开关电源进行实验 : 输入直流电压为 180 ~ 500 V, 输出端为 15 V / 0. 8 A 24 V / 0.5 A 6 V / 0.5 A 6 V / 0.5 A 在各输出端满载的情况下, 对文中所设计的电源进行了测试, 选取直流输入端为 V 的情况下实验波形如图 6 7 所示图中 1 为稳压 15 V 输出电压波形,2 为功率开关管漏极与源极之间波形,3 为输入直流电压波形

5 第 4 期施晓勇, 等 : 宽电压输入多端输出开关电源的设计 45 可根据需要产生脉冲驱动功率开关器件, 而反激式电路具有拓扑简单可实现宽输入可靠性高等优点文中提出了一种使用 UC3842 TL431 及光耦等构成的多端反激式开关电源, 直接选取一路电压作为反馈回路, 经过光耦隔离接入芯片内部误差放大器的输出端该设计实现了输入端与输出端的电气隔离, 闭环反馈回路的动态响应良好, 适用于小功率开关变换电路中图 V 实验波形图 V 实验波形从实验波形可知在输入直流电压变化时,15 V 输出电压变化波动范围为 ± 0. 5 V, 电压调整率为 3.3%, 其他输出端经过万用表测量, 在输入端电压变化时, 电压波动范围在 1 V 以内经过实验测量, 说明设计电路可以正常工作, 反馈稳压电路达到预期目的, 电压调整率较低电路工作性能良好 5 结束语 UC3842 芯片是新型的电流型 PWM 控制芯片, 具有频率高稳定性高和动态响应快等特点, 输出端参考文献 : [1] 刘俊, 楚君, 郭照南, 等. 基于 UC3842 的多输出开关电源设计 [J]. 微计算机信息, 2009, 25(13): [2] 朱俊林, 刘细平, 许伦辉. 基于 UC3842 的电流控制型脉宽调制开关稳压电源的研究 [ J ]. 现代电子技术, 2003(9): [3] 周志敏, 周纪海. 开关电源实用技术设计与应用 [ M]. 北京 : 人民邮电出版社, 2003: [4] 朱晓曲. 基于 UC3842 的多端反激式开关电源的设计与实现 [D]. 长沙 : 湖南大学, 2013: [5] 张厚升, 赵艳雷. 新型多功能反激式开关电源设计 [ J]. 电力自动化设备, 2011, 31(1): [6] 楚永宾, 黄海宏, 赵斌. 基于 UC3842 的反激式多输出开关稳压电源的设计 [J]. 电源技术应用, 2011, 14(8): [7] 刘胜利. 现代高频开关电源实用技术 [ M]. 北京 : 电子工业出版社, 2001: [8] 何艳丽, 陈鸣, 王克城, 等. 基于 UC3844 的反激稳压电源的设计及分析 [J]. 电源技术应用, 2008, 11(4): [9] 韩帅, 张黎, 谭兴国, 等. 基于损耗分析的大容量高频变压器铁芯材料选型方法 [J]. 高电压技术, 2012, 38(6): [10] 吴清玲. 高压高频变压器的研究与设计 [ D]. 沈阳 : 沈阳理工大学, 2014: [11] 常东来. 变频器中直流母线电容的纹波电力计算 [ J]. 变频器世界, 2010(2): 本文引用格式 : 施晓勇, 吕世家, 贾昊松. 宽电压输入多端输出开关电源的设计 [J]. 应用科技, 2016, 43(4): SHI Xiaoyong, LYU Shijia, JIA Haosong. Design of wide-voltage-input multi-output switching power supply[ J]. Applied Science and Technology, 2016, 43(4): ( 上接第 40 页 ) [7] 王灿进, 孙涛, 陈娟. 基于 FREAK 特征的快速景象匹配 [J]. 电子测量与仪器学报, 2015, 29(2): [8] 阳吉斌, 胡访宇, 朱高. 基于改进 SURF 算法的遥感图像配准 [J]. 电子测量技术, 2012, 35(3): 69-72, 77. [9] 戚世贵, 戚素娟. 基于特征点的最近邻配准算法 [ J]. 许昌学院学报, 2008, 27(2): [10]VIOLA P, JONES M. Rapid object detection using a boos ted cascade of simple features [ C] / / Proceedings of the 2001 IEEE Computer Society Conference on Computer Vi sion and Pattern Recognition. Kauai, HI, USA, 2001, 1: 本文引用格式 : 谢红, 王石川, 解武. 基于改进的 FREAK 算法的图像特征点匹配 [J]. 应用科技, 2016, 43(4): 35-40, 45. XIE Hong, WANG Shichuan, XIE Wu. Feature points matching in images based on improved FREAK[ J]. Applied Science and Tech nology, 2016, 43(4): 35-40, 45.

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