1、反激電路的工作原理

開關(guān)變換器是指利用半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形態(tài)的主電路。反激式開關(guān)電源是開關(guān)變換器的一種，其主電路如圖1所示。由于變壓器同名端在一側(cè)，故輸出電壓上負(fù)下正。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，電壓源給原邊電感充電，電感電流線性上升，直到開關(guān)管關(guān)斷時(shí)刻，原邊電流達(dá)到最大值。開關(guān)管導(dǎo)通期間，由于二極管承受反向電壓，副邊沒有電流通過。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷，副邊二極管承受正向電壓開始導(dǎo)通。

給電容充電，同時(shí)電容通過電阻放電。電容電壓為上負(fù)下正。

圖1反激電路原理圖

反激式變換器有兩種工作模式，一種為連續(xù)工作模式，一種為非連續(xù)工作模式。在下一個(gè)周期的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來臨前，變壓器副邊電感中的電流已經(jīng)降低為0，這種工作模式成為電流非連續(xù)工作模式。如果在下一個(gè)周期的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來臨前，變壓器副邊電感中的電流沒有降低為0，此種工作模式成為電流斷續(xù)模式。處于連續(xù)模式和斷續(xù)模式之間的是臨界模式，此種狀態(tài)下，當(dāng)下一個(gè)周期信號(hào)來臨時(shí)，電感電流剛好減少為0.為了避免變壓器磁芯飽和，通常設(shè)計(jì)變壓器工作在非連續(xù)工作模式。

反激式變換器主要有以下特點(diǎn)：

(1)高頻變壓器一次繞組的同名端與二次繞組的同名端極性相反，一次繞組非同名端和開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)端共地，一次繞組的同名端接電壓源的正端。

(2)高頻變壓器相當(dāng)于一個(gè)儲(chǔ)能電感，在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)變壓器儲(chǔ)存能量，在開關(guān)管截止時(shí)，將能量傳給二次側(cè)。

(3)可在連續(xù)模式下或非連續(xù)模式下工作。

(4)可以構(gòu)成直流輸入端的變換器，也可以構(gòu)成交流輸入的AC/DC變換器。

(5)輸出電壓低于或高于輸入電壓取決于高頻變壓器的匝數(shù)比。

(6)增加二次繞組和相關(guān)電路可以獲得多路輸出。

(7)反激式變換器一般不需要在輸出整流二極管與濾波電容之間串聯(lián)低頻濾波電感。

2、UC3842的工作原理

UC3842是一種高性能、單端輸出、頻率可調(diào)的電流型PWM調(diào)制器，最大的優(yōu)點(diǎn)是外接元件少、外圍線路簡易、價(jià)格低，廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品中的開關(guān)電源。

UC3842主要特點(diǎn)有：①振蕩器的頻率控制較精確，可微調(diào);②電流工作模式頻率可達(dá)500KHz;③自動(dòng)前饋補(bǔ)償功能;④閉鎖PWM，逐周電流限制;⑤內(nèi)置參考源，可欠壓鎖定;⑥大電流圖騰柱輸出，最大可達(dá)1A;⑦帶滯后的欠壓鎖定;⑧啟動(dòng)、工作電流門檻較低。

UC3842內(nèi)部原理圖如圖2所示

圖2UC3842內(nèi)部原理圖

由圖示可以看出，UC3842一共有8個(gè)引腳，其各個(gè)引腳的功能分別為：

①腳是誤差放大器的輸出端，外接阻容元件用于改善誤差放大器的增益和頻率特性;

②腳是反饋電壓輸入端，此腳電壓與誤差放大器同相端的2.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓，從而控制脈沖寬度;

③腳為電流檢測(cè)輸入端，當(dāng)檢測(cè)電壓超過1V時(shí)縮小脈沖寬度使電源處于間歇工作狀態(tài);

④腳為定時(shí)端，內(nèi)部振蕩器的工作頻率由外接的阻容時(shí)間常數(shù)決定，

f=1.72/(RT&mes;CT);

⑤腳為公共地端;

⑥腳為推挽輸出端，內(nèi)部為圖騰柱式，上升、下降時(shí)間僅為50ns驅(qū)動(dòng)能力為±1A;

⑦腳是直流電源供電端，具有欠、過壓鎖定功能，芯片功耗為15mW;

⑧腳為5V基準(zhǔn)電壓輸出端，有50mA的負(fù)載能力。UC3842內(nèi)部存在兩個(gè)控制環(huán)路，一個(gè)采樣電壓反饋給誤差放大器，跟基準(zhǔn)電壓2.5V比較產(chǎn)生誤差放大電壓信號(hào)，一個(gè)是變壓器初級(jí)電流在采樣電阻Rs上產(chǎn)生的采樣電壓，與誤差放大器的輸出電壓比較產(chǎn)生調(diào)制PWM的脈沖信號(hào)，由于誤差信號(hào)實(shí)際控制原邊峰值電流的大小，故UC3842為電流型PWM調(diào)制器。

圖3UC3842工作時(shí)序圖

圖3是UC3842工作時(shí)的時(shí)序圖。RT、CT產(chǎn)生的充放電波形經(jīng)過振蕩器整形后變成方波信號(hào)，充電時(shí)振蕩器輸出低電平，放電時(shí)為高電平。在CT充電過程中，RS觸發(fā)器置位腳S=“0”，若采樣電阻Rs上的電壓低于輸出繞組反饋補(bǔ)償輸出電壓(經(jīng)過誤差放大器)，使RS觸發(fā)器復(fù)位腳R=“0”，此時(shí)Q

輸出低電平“0”，UC3842輸出高電平Q1導(dǎo)通;當(dāng)采樣電阻電壓高于反饋補(bǔ)償輸出電壓時(shí)，RS觸發(fā)器復(fù)位R=“1”，此時(shí)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，Q

輸出高電平“1”經(jīng)過或門后，UC3842輸出低電平，Q1截止。截止后采樣電阻電壓低于輸出繞組反饋補(bǔ)償輸出電壓，RS觸發(fā)器復(fù)位R=“0”，此時(shí)觸發(fā)器處于輸出保持狀態(tài)，Q1仍舊截止。

當(dāng)CT開始放電時(shí)，RS觸發(fā)器置位腳S=“1”，此時(shí)觸發(fā)器置位，則Q輸出低電平“0”，但是經(jīng)過或門后，或門輸出為“1”，此時(shí)Q1仍舊截止。

當(dāng)下一個(gè)充電狀態(tài)開始時(shí)，RS觸發(fā)器置位腳S=“0”，R此時(shí)也為“0”，觸發(fā)器保持輸出狀態(tài)，Q

輸出低電平“0”，此時(shí)經(jīng)過或門后，Q1開始導(dǎo)通。通過以上UC3842的正常工作狀態(tài)的描述，可以看出，電流采樣電阻電壓和輸出繞組反饋電壓共同決定了Q1開關(guān)狀態(tài)。

3、電路參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1、整流電路的設(shè)計(jì)

開關(guān)電源的輸入是市電，需要通過濾波以及整流環(huán)節(jié)得到直流電壓作為反激式電源的輸入。圖4所示整流電路原理圖。220V交流電通過橋式整流電路的整流以及電容C1的濾波得到約310V的直流電。

圖4整流電路原理圖

實(shí)際電路運(yùn)行過程中，由于各種原因會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，因此需要在市電和整流橋之間添加雙向?yàn)V波電路，在避免電網(wǎng)對(duì)電源造成的同時(shí)也避免了電源對(duì)電網(wǎng)造成的干擾。圖5所示為電磁干擾濾波電路原理圖，其中C1、C2用來抑制差模干擾，L、C3、C4用來抑制共模干擾，具體的選取規(guī)則可以參考表1進(jìn)行。

由于仿真電路中模型比較理想化，不存在共模干擾和差模干擾，故在仿真模型搭建過程中省略了電磁干擾濾波電路。

3.2、啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了供電繞組給UC3842供電，但是在電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)以前，供電繞組無法給芯片供電，因此需要設(shè)計(jì)啟動(dòng)電路。常規(guī)的做法是采用阻容串聯(lián)電路提供啟動(dòng)電壓，等到電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，由供電繞組供電。

圖4為阻容供電電路。由圖4可知，電源通過r1對(duì)電容c2充電，當(dāng)電容電壓到達(dá)16V以后，芯片啟動(dòng)。此后由于電阻r1提供的電流不足以使芯片正常工作，電容c2上電壓下降到14V，即供電繞組電壓，芯片由供電繞組供電。為了使電路正常工作，當(dāng)電容電壓達(dá)到16V以后，充電電流必須大于啟動(dòng)電流且小于UC3842的工作電流，

當(dāng)電阻不滿足上述條件時(shí)，芯片可能無法啟動(dòng)或者電容電壓持續(xù)上升導(dǎo)器件損壞。

3.3、UC3842外圍電路設(shè)計(jì)

圖7UC3842外圍電路

圖7所示為UC3842芯片的外圍電路。為使電路工作在預(yù)定的工作狀態(tài)，需要設(shè)置芯片的外部元件參數(shù)。本次設(shè)計(jì)的反激式開關(guān)電源工作在50KHz，根據(jù)芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，芯片的工作頻率：

故本文選擇r7=10k，c6=3.3n，電路工作在52.1KHz情況下，非常接近預(yù)定頻率。芯片的1、2腳之間需要接阻容并聯(lián)電路進(jìn)行環(huán)路補(bǔ)償，可根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)選擇電阻150k，電容100p.2腳需要接反饋電壓，選擇47k和10k電阻串聯(lián)分壓，進(jìn)而提供反饋電壓。電阻的選擇不宜過大也不宜過小。電阻過大，由于芯片分流的作用將導(dǎo)致反饋電壓不準(zhǔn)確;電阻太小將增大損耗，降低電路的效率。6腳串聯(lián)一個(gè)20Ω左右的電阻驅(qū)動(dòng)開關(guān)管。

3.5、輸出電路的設(shè)計(jì)

圖8輸出電路原理圖

圖9供電回路

圖9所示為供電回路電路圖，它是輸出電路的一部分，供電電壓設(shè)計(jì)為14V，輸出電壓經(jīng)二極管給分壓電容充電。當(dāng)RC啟動(dòng)電路中電容電壓低于14V時(shí)，供電繞組對(duì)電容充電，使其保持恒定。當(dāng)電容電壓高于14V時(shí)，由于二極管承受反壓，充電回路斷開，僅僅有分壓電容供電。

4、仿真與試驗(yàn)

本文基于上述分析設(shè)計(jì)了一個(gè)反激式開關(guān)電源，并且在開關(guān)電源仿真軟件saber中搭建了仿真模型進(jìn)行仿真。Saber模擬及混合信號(hào)仿真軟件是美國Synopsys公司的一款EDA軟件，被譽(yù)為全球最先進(jìn)的系統(tǒng)仿真軟件，其仿真結(jié)果更接近實(shí)際結(jié)果，因此具有較高的可靠性。本文在saber中搭建了仿真模型，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

圖10仿真程序總圖

從以上波形可以看出，輸出電壓和電流波形都出現(xiàn)了階躍，這是因?yàn)闆]有達(dá)到啟動(dòng)電壓之前芯片沒有啟動(dòng)，到達(dá)啟動(dòng)電壓之后，芯片啟動(dòng)，仿真波形出現(xiàn)階躍現(xiàn)象?？傊抡娌ㄐ芜_(dá)到了預(yù)設(shè)的目標(biāo)，本文提出的開關(guān)電源設(shè)計(jì)模型完全正確。