新型多功能反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì).Stamped

1、新型多 功能 反激式開關(guān) 電源設(shè)計(jì)張 厚升 , 趙 艷 雷(山 東 理工 大 學(xué) 電氣 與 電子 工 程 學(xué)院 , 山 東 淄 博 255049摘要 :以 峰 值 電 流型 PWM 控制 芯片 UC3842為 核 心 設(shè) 計(jì) 了 一 種 新 型多 功 能 反 激 式 開 關(guān) 穩(wěn) 壓 電 源 , 該 電 源 具 有 6路直 流 隔 離 電 壓 輸 出 。 介紹了 其 工 作 原 理 和 外 圍 電 路設(shè) 計(jì) 。 為 了 滿 足 電 磁 兼 容 性和 安 全 性 要 求 , 設(shè) 計(jì) 了 EMI 抑制 電 路 。 詳細(xì) 介紹了 一 種 新 型 變 壓器繞 組 緩 沖 電 路 的 設(shè) 計(jì) 方 法 ,

2、著 重 介紹了 反 激 式變 換 器 的變 壓器設(shè) 計(jì) 過 程 , 包 括 齊 納箝 位 電 壓 的 計(jì)算 、 實(shí) 際占空 比 的 計(jì)算 、 電 感 值 的 計(jì)算 、 磁 芯 的 選擇 、 各 路 輸 出 繞 組 匝 數(shù) 的 確 定 以 及氣 隙 的 計(jì)算 。 實(shí) 現(xiàn)了 對輸 出電 壓 的 負(fù) 反 饋調(diào)節(jié) 及 各種 保 護(hù) 機(jī) 制 。 實(shí)驗(yàn) 結(jié) 果 表 明 , 該 開 關(guān) 穩(wěn) 壓 電 源 具 有 穩(wěn) 壓 性能優(yōu) 良 , 紋 波 小 , 電 壓調(diào) 整 率 、 負(fù) 載 調(diào) 整 率 高 , 體 積 小 , 質(zhì) 量 輕 , 電 磁 兼 容 性 好 等 優(yōu) 點(diǎn) 。關(guān)鍵詞 :開 關(guān) 電 源 ; 反 激 式

3、變 換 器 ; UC3842; 緩 沖 電 路 ; 變 壓器 中 圖 分 類 號(hào) :TM 464文 獻(xiàn)標(biāo)識(shí) 碼 :B 文 章 編號(hào) :1006-6047(2011 01-0113-05收稿 日期 :2010-05-16; 修回 日期 :2010-11-04基金項(xiàng)目 :國 家 自 然 科 學(xué) 基 金 資助 項(xiàng) 目 (50807034 電 力 自 動(dòng) 化 設(shè) 備Electric Power Automation EquipmentVol. 31No .1 Jan. 2011第 31卷第 1期 2011年 1月隨著 全 球 能 源 危 機(jī) 和 環(huán) 境 污 染 問 題 的 日 益 嚴(yán) 重 , 開 發(fā)

4、利用 清潔 的可 再生 能 源 勢 在 必 行 。 風(fēng) 力發(fā)電 并網(wǎng)系統(tǒng) 、 光伏 發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng) 成為 研究 熱 點(diǎn) 。 而 這些 并網(wǎng)系統(tǒng)的正常 工 作 往往 需要 給其 主 控系統(tǒng) 、 通信 系統(tǒng) 等 功能模 塊 提供 多路 穩(wěn) 定 的 隔 離 直流電源 。 另 外 在變頻器 、 適 配器 、 醫(yī)療 儀 器 等 精密 電子系統(tǒng) , 各 類 電器 及 儀 表 中的直流電源 等 功 率 等 級 較 小 的場 合 , 也 廣 泛 使 用 了 小功率 電源 。 開關(guān) 電源 由 于 具 有 效 率高 、 體 積 小 等 諸 多 優(yōu) 點(diǎn) , 近年來 在 這些 領(lǐng) 域 得 到了 越 來 越 多的 應(yīng)用

5、。由 于 反激 變換器的電路 拓?fù)浜?單 , 輸 出 與輸入 電 氣 隔 離 , 能高 效 提供 多 組 直流 輸 出 , 升 降 壓 范 圍 寬 , 因 此 在中 小功率 場 合 得 到 廣 泛 應(yīng)用 1。 本文 利用 反激 變換器的 特 點(diǎn) , 基于 UC3842設(shè)計(jì) 了一 種 新型 多 功能 隔 離 型 反激式開關(guān) 電源 , 能提供 6路 工 作 電 源 , 還 能 自 適應(yīng) 輸入電壓波 動(dòng) , 隨著 輸入電壓的變 化 能 自 動(dòng) 調(diào) 節(jié) PWM 輸 出 來 保 證 輸 出 電壓的 穩(wěn) 定 。1設(shè)計(jì) 要 求多 功能 反激式開關(guān) 電源設(shè)計(jì) 要 求 為 風(fēng) 力發(fā)電并 網(wǎng)系統(tǒng) 提供 驅(qū) 動(dòng) 電

6、壓 , 為 光 耦 、 繼 電器 、 控制 芯片 等 提 供 工 作 電源 。 具 體 指 標(biāo) 如 下 :輸入 為 交 流 90250V (正常 220V ; 輸 出 為 2路 20V /0.5A 輸 出 、 1路 15V /0.6A 給 UC3842供 電 、 2路 15V /1A 輸 出 、 1路 12V /1A 輸 出 、 1路 5V /1A 輸 出 , 反 饋 繞 組 無 后 級 線性 調(diào) 整 器 , 其 余 各 路 輸 出 后 級 均 有 線 性調(diào) 節(jié) 器 ; 開關(guān) 頻 率 為 40kHz , 總 輸 出功率 為 76W , 效 率 為 85%。2控 制 芯片 選擇多 功能 反激式開

7、關(guān) 電源 選 用 美 國 Unitrode 公司生 產(chǎn) 的 高 性 能 單 端 輸 出 式 電流 控 制 型 脈 寬 調(diào) 制 器UC38422作 為 控制 芯片 , 其 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 如圖 1所 示 , 該芯片 可 專 門 用 于控制 占 空比 適應(yīng)負(fù) 載 變 化 造 成 的輸 出 電壓變 化 , 具 有電流 反 饋和電壓 反 饋雙 環(huán) 控制的 特 點(diǎn) , 負(fù) 載 調(diào) 整 率 好 , 除 具 有輸入 端 過 壓 保護(hù) 與輸 出 端 過 流 保護(hù) 功能 之 外 , 還 設(shè)有 欠 壓 鎖 定 電路 , 因 此 , 電路 穩(wěn) 定 可靠 , 比較 適 合 該 電源的 應(yīng)用 場 合 。具 有 8腳 雙

8、 列 直 插 封 裝 的 UC3842芯片 各 引 腳 功能 如 下 。 1腳 (COMP :誤差 放 大 器的輸 出 端 , 用 于 環(huán) 路 補(bǔ)償 。 2腳 (U FB :誤差 放 大 器的 反 相 輸入 端 , 通 常 通 過一 個(gè) 電 阻 分壓器 連至 開關(guān) 電源輸 出 , 起 電壓 反 饋 作 用 。 3腳 (ISEN :電流 取 樣 端 。 流 過 開關(guān) 管 的 電流 被 檢測 電 阻轉(zhuǎn) 換 為 電壓 信號(hào) 并 被 送 入 此 腳 , 用 來 控制 PWM 鎖 存 器 , 調(diào) 整 輸 出 電壓 大 小 。 并 且當(dāng)該 腳 電壓超 過 1V 時(shí) , UC3842關(guān) 閉 輸 出 脈沖 ,

9、 從 而 保護(hù) 開關(guān) 管不 致 因 過 流 而 損壞 。 4腳 (R T /C T :振蕩器 。 外 接 R T 、 C T 定 時(shí) 元 件 , 通 過 電 阻 R T 連 接 至 參 考 輸 出 引 腳 8以 及 電 容 C T 連 接 至 地 , 使 振蕩器頻 率 和 最 大 輸 出 占 空比 可調(diào) , 振蕩頻 率 為 f =1.72/(R T C T , 工 作 頻 率 可 達(dá) 500kHz 。 5腳 (GND :控制電路和電源的 公U R T /U REF V mA圖 1UC3842的 內(nèi)部 結(jié)構(gòu) 圖Fig.1Internal structure of UC3842.第 31卷電 力

10、自 動(dòng) 化 設(shè) 備 共 地 。 6腳 (OUT :推 挽 輸 出放 大 器的輸 出 端 , 為圖 騰 柱 式 輸 出 , 可直 接 驅(qū) 動(dòng)功率 管 MOSFET 的 柵 極 。 驅(qū) 動(dòng) 電流的 平 均 值 可 達(dá) 200mA , 最 大 可 達(dá) 1A 峰 值 電流 。 7腳 (U cc :電源輸入 端 。 外 接 電源電壓 U cc , UC3842的 開 啟 電壓 為 16V , 關(guān) 斷電壓 為 10V , 其 內(nèi) 部 有 一 個(gè) 34V 的 穩(wěn) 壓 管 , 可 以 保 證 內(nèi) 部 電路 工 作 在 34V 以 下 。 該 電源電壓 經(jīng)內(nèi) 部 基 準(zhǔn) 電壓電路的 作 用 產(chǎn) 生 5V 基 準(zhǔn)

11、 電壓 , 作 為 UC3842的 內(nèi) 部 電源 使 用 , 并 經(jīng) 衰 減得 到 2.5V 電 壓 作 為 內(nèi) 部 比 較 器 的 基 準(zhǔn) 電 壓 。 8腳 (U REF :參 考 輸 出 引 腳 。 它 通 過 電 阻 R T 向 電 容 C T 提 供 充 電電流 。 UC3842還 包括 過 壓 、 欠 壓 保護(hù) 電路 , 當(dāng) 供 電電源電壓低于 10V 時(shí) , 芯片 停 止 工 作 3。3開 關(guān) 穩(wěn) 壓 電源 的工 作原 理與設(shè)計(jì)3.1工 作原 理圖 2為 所 設(shè)計(jì)的多 功能 反激式開關(guān) 電源的 原 理 圖 。 開 機(jī) 后 , 220V 市 電 經(jīng) 過 EMI 濾 波 器 、 整 流

12、 橋 V BR1和濾波電 容 C 5、 C 6后 , 轉(zhuǎn)化 為約 310V 的直流電 ; 電 容 上 310V 的電壓 通 過 啟 動(dòng) 電 阻 R 1對 電 容 C 13充 電 , 當(dāng) UC3842的 7腳 (U cc 端 達(dá) 到 導(dǎo) 通 門 檻 電 壓 (16V 后 , UC3842開 始 工 作 , 此后 芯片 由 反 饋 繞 組 供 電 , 電壓維 持 在 13V 左右 。 反 饋 繞 組 N S 兩端 的電 壓 經(jīng) 由 V D2、 C 14、 C 15整 流濾波 、 R 10分壓 后 , 從 2腳 送 入 UC3842的 誤差 放 大 器 反 相 輸入 端 , 反 饋電壓與基 準(zhǔn) 電壓

13、 (2.5V 經(jīng) 誤差 放 大 器 比較 放 大 后 , 調(diào) 整 PWM 輸 出 脈沖 的 寬 度 , 從 而 穩(wěn) 定 輸 出 電壓 。 主 回 路電流 由 電 阻 R S 進(jìn)行取 樣 , 取 樣 電壓 經(jīng) 3腳 加 到 UC3842內(nèi) 的電流 比較 器的 一 個(gè) 輸入 端 , 與 誤差 電壓 放 大 器的 輸 出進(jìn)行 比較 , 當(dāng)該 取 樣 電壓 等 于 誤差 電壓 (最 大 值 為 1V 時(shí) , UC3842的輸 出 脈沖 被 中斷 , 從 而 實(shí) 現(xiàn) 限 流 保護(hù) 4-5。 該 電源 用 UC3842的 PWM 輸 出 經(jīng) 驅(qū) 動(dòng) 電 阻 后 直 接 驅(qū) 動(dòng) 開關(guān) 管 。3.2電 磁干

14、擾 的 抑 制高 頻 開關(guān) 電源 產(chǎn) 生 的電磁 干 擾 (EMI 主 要以 傳 導(dǎo) 干 擾和 近 場 干 擾 為 主 , 電磁 干 擾有 共 模干 擾和 差 模 干 擾 2種 狀 態(tài) 。 EMI 濾波器 是 目 前 使 用最 廣 泛 、 也是 最 有 效 的 開關(guān) 電源傳 導(dǎo) 干 擾 抑 制方法 之一 , EMI 濾波 器 不但 要 抑 制 共 模干 擾 , 也 必須 抑 制 差 模干 擾 6-8。 圖 2給 出 了 所 設(shè)計(jì)的 EMI 濾波器 , 它接 于電源輸入 端 與 整 流 器 之 間 , 內(nèi) 含 共 模 扼 流 圈 L 2和 濾 波 電 容 C 1C 4, 共 模 扼 流 圈 也

15、稱 共 模 電感 , 主 要 用 來 濾 除 共 模干 擾 。 它由 繞 在同 一 高 磁 導(dǎo) 率 上 的 2個(gè) 同 向 線 圈 組 成 , 可 抵 消 差 分電流 。 其 特 點(diǎn) 是 對 電網(wǎng) 側(cè) 的 工 頻電 流 呈 現(xiàn) 較 低 阻 抗 , 但 對 高 頻 共 模干 擾 等效 阻 抗 卻很 高 。 C 2和 C 3為 Y 電 容 , 跨 接 在輸入 端 , 并 將 電 容 器的 中 點(diǎn) 接地 , 能 有 效 抑 制 共 模干 擾 , 其 容量 約為 2.2nF0.1F ; C 1和 C 4為 X 電 容 , 用 于濾 除 差 模干 擾 , 其 典 型 值 在 0.010.47F 之 間 。

16、 3.3緩沖 電 路 設(shè)計(jì)圖 2所 示 反激式 變換器中 , 開關(guān) 節(jié) 點(diǎn) A 、 B 的電 流 、 電壓波形 如圖 3、 4所 示 。 圖 中 , U O 為 二 次 側(cè) 輸 出 電壓 ; I O 為 二 次 側(cè) 輸 出負(fù) 載 電流 ; U IN 為 交 流輸入 整 流電壓 ; 下 標(biāo) R 表 示 折 算 值 ; U INR =U IN /n 為 加 在 二 次 繞 組上 的 折 算電壓 ; U OR 為 二 次 側(cè) 電壓 U O (忽 略 二 極 管 壓 降 等 因 素 折 算 到一 次 側(cè) 的電壓 值 , U OR =U O n , n為 變壓器變 比 ; I L 為 二 次 繞 組 電

17、感 平 均 電流 , 即 電感 電流的 斜坡 中 心 值 , 且 有 I L =I O /(1-D ; I L R 為 二 次 側(cè) 的電感電流 折 算 到一 次 側(cè) 的 斜坡 中 心 值 , I L R =I L /n =I OR /(1-D , 其 中 , I OR 為 折 算的 負(fù) 載 電流 , I OR =I O /n 。反激式 變換 器 的 變 壓 器 除 具 有 隔 離 變 壓 作 用 外 , 還 起 到 電感 儲(chǔ) 能 、 釋 能 作 用 。 漏 感可 以 看 作 是 與 變壓器 一 次 側(cè) 電感 串 聯(lián)的 寄 生 電感 , 是未 能 耦 合 到 二 次 側(cè) 的 一 次 電感 部 分

18、 , 它 不 參 與有 效 能量 從 輸入V BR14C 3C 2C 1F 1U ACL 1C 5+C 6V Z1R 2R 3R 6V T1V D4R SC 13R 4R 7R 8C 15C 14+LEDR 9V Z2V D1D2EMI L 22315UC38427684V Z3C 9C 10C 11C 12C 13+R 10C 8N SB 7820V C 16+C 17C 18+20VGND17820V D6C 19C 20C 21+20V GND27815V D7C 22C 23C 24+15V GND37815V D8C 25C 26C 27+15V GND47812V D9C 28C

19、29C 30+12V GND57805V D10C 31C 32C 33+5V GND6C 75圖 2基 于 UC3842的 反 激 式 開 關(guān) 電源 原 理 圖Fig.2Flyback switching power supply based on UC3842R 1D3張 厚 升, 等 :新型多 功能 反激式開關(guān) 電源設(shè)計(jì)第 1期 到 輸 出 的傳 遞 。 圖 3中可 以 看 出 , 當(dāng) 開關(guān)關(guān) 斷 時(shí) , 一 次 電感 所 存 儲(chǔ) 的 能量 可 沿 續(xù) 流 通 路 (通 過 輸 出 二 極 管 傳 遞 , 但 漏 感 能量 卻 無傳 遞 通 路 , 所 以它 就 以 高 電壓 尖峰 的形

20、 式 表 現(xiàn) 出 來 , 二 次 側(cè) 無 此 電壓 尖峰 。 若 不盡 量 吸收 此 漏 感 能量 , 則 將 引起很 大 的電壓 尖峰 , 從 而 導(dǎo)致 開關(guān) 損壞 。 因 漏 感 能量 無法傳 遞 到 二 次 側(cè) , 故常 用 以 下 2種 處 理 方法 :重 新 利用 使其 返 回 輸入 電 容 ; 將 其 消 耗 。 后 者 方法 比較簡 單 , 最 實(shí) 用 的方法 是 直 接 用 齊 納 二 極 管 箝 位 , 當(dāng) 然 齊 納 電壓 必須 根據(jù) 開關(guān)所 能 承 受 的 最 大 電壓 來 選 擇 。 通 過 詳細(xì) 計(jì)算可 得 齊 納 管 所 消 耗 的 總 能量 為P z =1L LK

21、 I 2PKU ZZ OR(1 其 中 , L LK 為一 次 漏 感 , I PK 為 開關(guān) 峰 值 電流 , U Z 為 齊納 管 箝 位 電壓 。由 式 (1 可 以 看 出 , 齊 納 管 所 消 耗 的 總 能量 為 漏 感 能量 L LK I 2PK /2乘 以 U Z /(U Z -U OR , 所 附 加部 分 來 自于 一 次 電感 。 具 體 計(jì)算 時(shí) 需要 注 意 , 若 齊 納 管 穩(wěn) 壓 電壓 太 接近 所 選 U OR , 箝 位 損耗 就會(huì) 猛 增 , 因 此 U OR 的 選 擇 需要 小 心 。 若 以 U Z /U OR 為 函 數(shù) 畫 出 箝 位 損耗 曲

22、 線 便 可發(fā) 現(xiàn) , 在 所 有 情況 下 , U Z /U OR =1.4均 為 消 耗 曲 線 上 的 明顯 下 降 點(diǎn) 9, 因 此 選 擇 此值作 為 最優(yōu) 比 。 具 體 計(jì)算 參 見 變壓器設(shè)計(jì) 部 分 。開 關(guān) 管 緩 沖 電 路設(shè) 計(jì)開關(guān) 管 在 關(guān) 斷的 瞬 間 會(huì)產(chǎn) 生 很 高 的電壓 尖峰 脈 沖 , 這不 僅 很 容 易 使 開關(guān) 管 由 于電壓 急劇 升 高 而 損 壞 , 而 且 使 電流 采 樣 和輸 出 電壓的波形 出 現(xiàn) 很 尖 的 脈沖 10, 影響 系統(tǒng)的 穩(wěn) 定 工 作 。 為 此 , 由 V D4、 R 6、 C 13組 成 緩 沖 吸收 電路 ,

23、文 獻(xiàn) 11-12給 出 了 緩 沖 電路的 設(shè)計(jì)方法 。3.4UC3842的 啟 動(dòng) 過 程 與 啟 動(dòng)電 路 設(shè)計(jì)首先 , 由 電源 通 過 啟 動(dòng) 電 阻 R 1提供 電流 給 電 容 C 13充 電 , 當(dāng) C 13電壓 達(dá)到 UC3842的 啟 動(dòng) 電壓 門 檻 值 16V 時(shí) , UC3842開 始 工 作 并 提供 驅(qū) 動(dòng) 脈沖 , 由 6腳 輸 出 驅(qū) 動(dòng) 開關(guān) 管 V T1工 作 , 輸 出 信號(hào) 為 高 低電壓 脈 沖 。 高 電壓 脈沖 期 間 , 絕 緣 柵 場 效 應(yīng) 管 V T1導(dǎo) 通 , 電流 通 過 變壓器 原 邊 , 同 時(shí) 把 能量 儲(chǔ) 存 在變壓器中 。

24、根據(jù)同 名 端 標(biāo) 識(shí) 情況 , 此 時(shí) 變壓器 各 路 副邊 沒 有 能量 輸 出 。 當(dāng) 6腳 輸 出 的 高 電壓 脈沖 結(jié)束 時(shí) , V T1截 止 。 根 據(jù) 楞 次 定 律 , 變壓器 為 維 持 電流 不 變 產(chǎn) 生 下正 上 負(fù) 的 感 應(yīng) 電 勢 , 此 時(shí) 副邊 各 路 二 極 管 導(dǎo) 通 , 向外 提供能量 , 開 關(guān) 變 壓 器 的 反 饋 繞 組 N S 兩 端 電 壓 經(jīng) 由 V D2、 C 14、 C 15、 V D3整 流濾波 后向 UC3842供 電 。 UC3842內(nèi) 部 設(shè) 有 欠 壓 鎖 定 電路 , 其 開 啟 和 關(guān) 閉 閾 值 分 別 為 16V

25、和 10V 。 在 開 啟 之 前 , UC3842消 耗 的電流在 1mA 以 內(nèi) 。 電 源 電 壓 接 通 以 后 , 當(dāng) 7端 電 壓 升 至 16V 時(shí) UC3842開 始 工 作 , 啟 動(dòng) 正常 工 作后 , 它 消 耗 的電流 為 15mA , 因 為 UC3842的 啟 動(dòng) 電流在 1mA 以 內(nèi) , 設(shè) 計(jì) 時(shí)參 照這些 參 數(shù) 選 取 R S 8。 一般 , 隨著 UC3842的 啟 動(dòng) , R 1的 工 作 也 就 基 本 結(jié)束 , 余 下的 任 務(wù)交 給 反 饋 繞 組 , 由 反 饋 繞 組產(chǎn) 生 電壓 來為 UC3842供 電 。 3.5反 饋 電 路 設(shè)計(jì)由 于

26、 該 電源的輸 出 為 多路 , 不 適 合 僅 對 某 一 路 進(jìn)行 反 饋調(diào) 節(jié) , 故 采 用 反 饋線 圈 N S 來 輸 出 一 個(gè) 反 饋 電壓 , 對 多路輸 出 同 時(shí) 進(jìn)行 控制 。 V D2、 C 14、 C 15、 V D3為 整 流濾波電路 , 得 到一 個(gè) 穩(wěn) 定 的 反 饋電壓 , 該 電壓同 時(shí) 也 作 為 UC3842正常 工 作 時(shí) 的 供 電電壓 。 3.6電 流 取 樣 與 過 流 保護(hù) 設(shè)計(jì)最 大 輸入電壓 時(shí) , 加 在變換器 上 的 整 流直流電 壓 為U IN , max =姨 U AC , max =姨 ×250=354(V 選 用 的

27、 MOSFET 額 定 電壓 為 600V , 故在 U IN , max 處 必須 保 留 至 少 30V 的 裕 量 。 由圖 3可 知 , 此種 情況 下 , 漏 極 電壓 (U IN +U Z 不 能 超 過 570V , 于 是 有U IN +U Z =354+U Z 570(V U Z 570-354=216(V 可 選 擇 標(biāo)準(zhǔn) 的 180V 的 齊 納 穩(wěn) 壓 管 。U OR =U Z /1.4 0.7U Z =0.7×180=128(V 5V 輸 出 二 極 管 的正 向 壓 降 為 0.7V , 繞 組 壓 降 約為 0.6V , 后 級 線性調(diào) 整 器 約為 1

28、V , 此種 情況 下 , 必須 使 變壓器 提供高 于輸 出 35V 的電壓 , 為 線性調(diào) 整 器正常 工 作 提供 必 要 的 裕 量 。 則 匝 比 為n =U DR /(U O +U yu =128/(5+3 =16實(shí) 際 占 空比 很 重要 , 因 為 占 空比 若 有 小幅 度 上 升 (從理論上 100%的 效 率 , 將 可 導(dǎo)致 工 作 的 峰 值 電 流 及 其 相應(yīng) 磁場 能量 均 有 較 大增 量 13。t offt ontOI LO tI L R I A 圖 3開 關(guān) 節(jié) 點(diǎn) A 、 B 上的 電 流 波 形 Fig.3Current waveforms on sw

29、itch node A and B I B U U IN +U Z U IN +U ORU INO U B U O O-U INRoffont 圖 4開 關(guān) 節(jié) 點(diǎn) A 、 B 上的 電 壓 波 形Fig.4Voltage waveforms on switch node A and B若 將 76W 的輸 出功率 集 中在 一 個(gè) 等效 的 5V 單 輸 出 上 , 則 可 得 5V 輸 出負(fù) 載 電流 為I O =76/5=15. 2(A 折 算 到一 次 側(cè) 的 負(fù) 載 電流 I OR 為I OR =I O /n =15.2/16=0.95(A 設(shè)低網(wǎng)輸入 時(shí) 效 率 為 70%, 輸入

30、 功率 為P IN =P O /=76/0.7=108.57(W 可 得 平 均 輸入電流 為I IN =P IN /U I N =108.57/127=0.855(A 于 是 可 得 實(shí) 際 占 空比 為二 次 電流 斜坡 中 心 值 (集 中 功率 時(shí) 為I L =I O /(1-D =15.2/(1-0.474 =28.9(A 一 次 電流 斜坡 中 心 值 為I L R =I L /n =28.9/16=1.806(A 由 此 可 得 所 選 電流 紋 波 率 (r =0.5 情況 下的 峰值 電流 為I PR =(1+r /2 I L R =1.25×1.806=2.258

31、(A 根據(jù)此 估算 值 , 即 可設(shè) 定 控制器的 最 大 電流 值 。 輸入 為 最 低輸入電壓 U IN , min 時(shí) , 在 開關(guān) 管 導(dǎo) 通時(shí) 間 內(nèi) 加 在電感 兩端 的電壓 為 U on =U IN =127V , 導(dǎo) 通時(shí)間 為 t on =D f=0.47440×103=11.85(s , 所 以 伏 秒 數(shù) 為Et =U on t on =127×11.85×10-6=1504.95×10-6(V ·s 根據(jù) “ L ×I ” 規(guī) 則 可 得 一 次 電感 值 為L P =1L R Et =1504.95×

32、;10-6=1.67(mH 設(shè)計(jì)磁性 元 件 與 特 制 或成 品 電感 不 同 , 需 加 氣 隙 以 提高 磁 芯 的 能量 儲(chǔ) 存 能 力 , 若 無 氣 隙 , 磁 芯 一 旦 存 儲(chǔ) 少 許 能量 就 容 易 飽 和 。 但 對 應(yīng) 所 需 r 值 , 還 應(yīng) 確 保 L 值 大 小 。 若 所 加 氣 隙 太 大 , 則 必 然 導(dǎo)致 匝 數(shù) 增 多 , 增大 繞 組 的 銅 損 , 也 使 繞 組 占 用 更 大 的 窗 口 面 積 。 故 必須 就 實(shí) 用進(jìn)行 折 中 選 擇 , 通 常 采 用 如 下 體 積 公式 (一般 應(yīng)用 于 鐵 氧 體 磁 芯 , 且 適用 于 所

33、有 拓?fù)?:U e =0.7(2+r 2/r (P IN /f 其 中 , f 的 單 位 為 kHz 。 于 是 開 始 選 擇 這個(gè) 體 積 (或 更 大 的磁 芯 , 在 EE40參 數(shù) 表 中可 以 找 到 其 等效 長 度 為 l e =7.74cm , 磁 芯 面 積 為 A e =1.39cm 2; 則 其 體 積 剛好 滿 足 要 求 。適用 于 所 有 拓?fù)?結(jié) 構(gòu) 的 匝 數(shù) 求解 公式 為n =(1+2/r ×U on D /(2B PK A e f 其 中 , 磁 通 密 度的變 化 B PK 不 能 超 過 0.3T , 則 一 次繞 組 匝 數(shù) 為n p

34、=1+2!" ×127×0.474=90.22匝 數(shù)取 為 91匝 , 需 驗(yàn) 證此值 是 否 適 合 磁 芯 的 窗口 面 積 、 骨 架 、 隔 離 帶 、 安 全 膠 帶 、 二 次 繞 組 和 套 管等 , 通 常在 反激式 變換器中 這些都不 成 問題 。5V 輸 出 的 二 次 繞 組 匝 數(shù) 為n 5S =n p /n =91/16=5.69匝 數(shù)取 為 6匝 , 則 每 匝 繞 組上 的電壓 值 為 U n =8÷6=1.33(V 。 于 是 可 以 求 得 12V 輸 出 的 繞 組 匝 數(shù) 為n 12S =(12+3 /1.33=91

35、/16=11.28匝 數(shù)取 為 12匝 , 同 理 可 以 求 得 15V 輸 出 的 繞 組 匝 數(shù) 為 14匝 ?？紤] 材 料 的磁 導(dǎo) 率 , 電感 值 L P 和磁 導(dǎo) 率 的 相 關(guān)方程 為L P =1z 0A e l en 2p其 中 , 為 所 選 材 料 的磁 導(dǎo) 率 ; 0為 空 氣 的磁 導(dǎo) 率 , 0=4×10-7; n p 為一 次 繞 組 匝 數(shù) ; z 為氣 隙 系 數(shù) , z =(l e +l g /l e , 注 意 z 不 可 取 小 于 1(無 氣 隙 的 任 何 值 , 折 中 選 擇 1020較 好 。 從 而 可 以 求 得 氣 隙 長 度

36、為 l g =0.44mm 。4實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 證依 據(jù) 前 述分析 , 研制 了一 臺(tái) 多 功能 開關(guān) 電源 , 并 對 系統(tǒng)的性 能進(jìn)行 了 測 試 , 表 1給 出 了 開關(guān) 電源的 電壓調(diào) 整 率 、 負(fù) 載 調(diào) 整 率 、 紋 波和 效 率 。 由 表 可 見 , 在 寬 電壓輸入變 化 范 圍 內(nèi) 輸 出 電壓 穩(wěn) 定 。 圖 5給 出 了 采 樣 電 阻 上 的電壓 (U R S 波形和 驅(qū) 動(dòng) 脈沖 (U G 波形 。 從 圖 中可 以 看 出 電流 上 的 尖峰 脈沖 經(jīng) 過 濾波 以 后 比 較 理 想 , 這 說 明 采 用 本文 設(shè)計(jì)的 緩 沖 電路 是 可 行 的 。測 式

37、 項(xiàng) 目 輸 出 /V測 試 環(huán) 境測 試 結(jié) 果電壓 調(diào) 整 率5121520U IN =100240V 0.60%0.42%0.37%0.32%負(fù) 載 調(diào) 整 率5121520U IN =220V I O =0. 51A I O=0. 51AI O =0. 51A I O =0.250.5A2.20%0.36%0.23%0.10%輸 出 紋 波 (峰峰 值 5121520U IN =220V 40mV 50mV 55mV 75mV 效 率U IN =220V81%表 1開 關(guān) 電源 性 能 測試 結(jié) 果Tab.1Results of performance test第 31卷電 力 自 動(dòng)

38、 化 設(shè) 備t :10s /divU G :10V /d i v , U R S :0. 5V /d i v圖 5采樣 電 阻上 的 電 壓 波 形 與 驅(qū) 動(dòng) 波 形Fig.5Voltage waveform of sampling resistorand driving voltage waveformDesign of multifunctional flyback switching power supplyZHANG Housheng , ZHAO Yanlei(School of Electrical &Electronic Engineering , Shandong U

39、niversity ofTechnology , Zibo 255049, China Abstract :With the peak current PWM control IC UC3842as its core , a multifunctional flyback switching power supply is designed , which has 6channels of isolated DC voltage output. Its operating principle and peripheral circuit are introduced. The EMI supp

40、ression circuit is designed to meet the requirements of electromagnetic compatibility and safety. The design of a new -type snubber circuit for transformer windings is introduced in detail and the design of its transformer is emphasized , including the calculation of Zener clamping voltage , actual

41、duty -cycle ratio and inductance , the selection of magnetic core , and the determination of winding turns and air -gap. The negative feedback regulation of output voltage and various protective mechanisms are realized. Experimental results show that the designed switching power supply has stable vo

42、ltage output , small ripple , high voltage and load regulation rates , small size , light weight and excellent elec -tromagnetic compatibility.This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (50807034 .Key words :switching power supply ; flyback converter ; UC3842; snubber

43、 circuit ; transformer5結(jié) 論充 分 利用 芯片 UC3842的 引 腳 少 、 外圍 電路 簡 單 、 性 能 好 、 價(jià)格 低 等 優(yōu) 點(diǎn) , 以 其 為 核 心 開 發(fā) 了結(jié) 構(gòu) 簡 單 、 成 本 低 廉 、 性 能 穩(wěn) 定 的 反激式 小功率 電源 。 詳細(xì) 介紹 了 外圍 電路 、 變壓器 緩 沖 電路和 反激 變壓器的 設(shè)計(jì) 。 實(shí) 現(xiàn)了 對 輸 出 電壓的 負(fù) 反 饋調(diào) 節(jié) 及 各 種 保護(hù) 機(jī)制 。 實(shí)驗(yàn) 結(jié) 果表 明 , 所 設(shè)計(jì)的電源 具 有 結(jié) 構(gòu) 簡 單 , 穩(wěn) 壓性 能優(yōu) 良 , 紋 波 小 , 電壓調(diào) 整 率 、 負(fù) 載 調(diào) 整 率高 等 優(yōu)

44、 點(diǎn) 。 達(dá)到了 預(yù) 期 的 要 求 , 能 夠 在輸入電壓變 化 較 大 的 情況 下 長 期 穩(wěn) 定 地 工 作 。 可 作 為 工 作 電源 應(yīng)用 于電 動(dòng) 車 蓄 電 池 充 電器 、 風(fēng) 力發(fā)電系統(tǒng) 、 光伏 發(fā)電系 統(tǒng) 、 電源 適 配器 、 應(yīng) 急 照 明 設(shè) 備 等 , 具 有 良 好 的 應(yīng)用 前 景 。 參考 文 獻(xiàn) :1林 渭勛 . 現(xiàn)代 電力電子 技術(shù) M . 北 京 :機(jī) 械 工業(yè) 出 版 社 , 2007:121-130.2曲 學(xué) 基 , 王 增 福 , 曲 敬鎧 . 新 編 高 頻 開關(guān) 穩(wěn) 定 電源 M . 北 京 :電子 工業(yè) 出 版 社 , 2005:153

45、-160. 3衡 耀 付 , 陳 富 軍 . 一 種 基于 UC3842的新型 開關(guān) 穩(wěn) 壓電源設(shè)計(jì) J .電力自 動(dòng)化 設(shè) 備 , 2009, 29(9:133-136.HENG Yaofu , CHEN Fujun. Switching power supply based on UC3842J . Electric Power Automation Equipment , 2009, 29(9:133-136.4宋鴻 齋 , 謝 吉 華 , 陳 志 強(qiáng) , 等 . 變頻器 用 多 功能 開關(guān) 電源設(shè)計(jì) J .電力自 動(dòng)化 設(shè) 備 , 2008, 28(1:105-108.SONG Hon

46、gzhai , XIE Jihua , CHEN Zhiqiang , et al. Design of multifunctional switching power supply for frequency converter J . Electric Power Automation Equipment , 2008, 28(1:105-108. 5張 蘭 紅 . 電流控制型 反激 變換器分析與研究 J . 電力電子 技術(shù) ,2001, 35(3:11-13.ZHANG Lanhong. Analysis and research on current control mode flyback converter J . Power Electronics , 2001, 35(3:11-13. 6董 紀(jì) 清 . 反激式 變換器 共 模 EMI 抑 制研究 J . 電 氣 開關(guān) , 2007(6:19-21.DONG Jiqing. Research on CM EMI noise suppression in fly -back converter J . Electric Switchgear , 2