一種高頻單端反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

一種高頻單端反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

0m控制器的類型開關(guān)設(shè)計(jì)通常采用集成納米芯片作為核心。近年來，將PWM控制電路、保護(hù)電路集成到一塊芯片上的開關(guān)電源集成控制器，其外圍電路簡(jiǎn)單、可靠性高。常見的PWM控制器分為電壓控制型和電流控制型2種。電壓型PWM控制器是通過反饋電壓來調(diào)節(jié)脈寬。電流型PWM控制器是通過輸出電感線圈的電流信號(hào)與誤差放大器輸出信號(hào)相比較來調(diào)節(jié)占空比，從而使電感峰值電流隨誤差變化而變化。與電壓型PWM相比，電流型PWM具有更好的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性也得以明顯改善，特別是其內(nèi)在的限流能力和并聯(lián)均流能力使控制電路變得簡(jiǎn)單可靠。電流型PWM集成控制器已經(jīng)產(chǎn)品化，其小功率電源已經(jīng)取代電壓型PWM控制小功率電源。1uc42芯片簡(jiǎn)介UC3842芯片是Unitrode公司推出的高性能電流型PWM控制器。該芯片電路開關(guān)頻率可調(diào)節(jié)，具有電流反饋和電壓反饋雙環(huán)控制的特點(diǎn)，電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率高。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?；赨C3842設(shè)計(jì)的反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源電路，利用光耦和三端穩(wěn)壓器TL431配合控制可大幅提高電源電壓的瞬態(tài)響應(yīng)速度和調(diào)整率。因此，很適合于在高精度穩(wěn)壓電源中使用。而且，該芯片具有外圍電路簡(jiǎn)單，安裝與調(diào)試方便，性能優(yōu)良，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。UC3842內(nèi)部主要包括：5V基準(zhǔn)電壓源、振蕩器、誤差放大器、過流檢測(cè)電壓比較器、PWM鎖存器、輸入欠壓鎖定電路。具有8腳封裝的UC3842芯片各引腳功能如下：腳1為誤差放大器輸出，用于環(huán)路補(bǔ)償；腳2是誤差放大器的反相輸入，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?zhàn)饔?；腳3為電流取樣引腳，脈寬調(diào)制器使用此信息終止輸出開關(guān)的導(dǎo)通，保護(hù)開關(guān)管不致過流損壞；腳4用于定時(shí)，通過時(shí)間電阻RT連接至參考輸出引腳8以及時(shí)間電容CT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=1.8/（RTCT），工作頻率可達(dá)500kHz；腳5是控制電路和電源的公共地；腳6是輸出驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的方波引腳，為圖騰柱式輸出，可直接驅(qū)動(dòng)功率管MOSFET的柵極；腳7是控制集成電路的正電源（Vcc）；腳8是參考輸出引腳，它通過電阻RT向電容CT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。2設(shè)計(jì)和工作原理采用開關(guān)穩(wěn)壓電源2.1壓壓電源的基本組成原理的框架圖開關(guān)穩(wěn)壓電源基本組成原理框圖如圖1所示。2.2高頻單端反激式變壓器電路分析電源電路主要由低通濾波電路、整流濾波、脈寬調(diào)制、反饋、保護(hù)單元電路等幾部分組成。圖2為采用UC3842為核心設(shè)計(jì)的高頻單端反激式開關(guān)電源電路的系統(tǒng)原理圖。該電路輸入為220V交流電，經(jīng)整流橋整流濾波后，在變壓器輸入端達(dá)到約300V的直流電壓。經(jīng)UC3842芯片PWM脈寬控制穩(wěn)壓后，得到穩(wěn)定的輸出。2.2.1高頻振蕩問題對(duì)于開關(guān)穩(wěn)壓電源，除考核其輸出穩(wěn)壓性能外，還要考核其電磁兼容性，即要求開關(guān)電源對(duì)外產(chǎn)生的電磁干擾要小，同時(shí)其自身的抗干擾能力強(qiáng)。因?yàn)殚_關(guān)電源中的功率管處在開/關(guān)的高頻轉(zhuǎn)換狀態(tài)，由于高頻振蕩的存在，勢(shì)必產(chǎn)生導(dǎo)致電網(wǎng)波形畸變的電流信號(hào)和向空間輻射干擾波，形成傳導(dǎo)干擾。另外，當(dāng)電網(wǎng)線路受到雷擊等劇烈沖擊時(shí)，電源的工作狀態(tài)會(huì)受到破壞。因此，必須采取措施，扼制從電源電路中產(chǎn)生的干擾，又要具備良好的抗干擾能力。所以，在輸入部分的輸入端加電容CX1、CY1、CY2，電感L1和L2，共同組成低通濾波電路，扼制由開關(guān)電源由內(nèi)向外的傳導(dǎo)干擾和電網(wǎng)由外向內(nèi)的共模和差模信號(hào)干擾。2.2.2高頻噪聲濾波在輸入部分，整流橋VBR1和電容C1可以整流和濾波，還可以減少高頻噪聲。輸出端的濾波電感L3也可以濾除高頻干擾。另外，為了減少共模噪聲，在輸出地和輸入地之間加接電容CY4。2.2.3脈寬調(diào)整部分脈寬調(diào)制產(chǎn)生電路通過UC3842和外圍電路實(shí)現(xiàn)。通過采樣反饋電路改變開關(guān)占空比，來控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)閉的脈寬，從而使輸出電壓穩(wěn)定。2.2.4輸出電壓正誤差的影響反饋電路主要由三端穩(wěn)壓器TL431和光耦PC817組成，利用TL431可調(diào)式精密穩(wěn)壓器構(gòu)成誤差電壓放大器，再通過線形光耦對(duì)輸出進(jìn)行精確的調(diào)整。如圖2所示，輸出電壓經(jīng)過R23、R24、R25分壓后得到的取樣電壓，與TL431中的2.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。當(dāng)輸出電壓出現(xiàn)正誤差，取樣電壓大于2.5V時(shí)，TL431的穩(wěn)壓值降低，光耦PC817控制端電流增大，UC3842的反饋端電壓值增大，輸出端的脈沖信號(hào)占空比降低，開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間減少，輸出電壓降低。反之，如果輸出電壓出現(xiàn)負(fù)誤差，UC3842的輸出脈沖占空比增大，輸出電壓增高，達(dá)到穩(wěn)壓目的。同時(shí)，整個(gè)電源系統(tǒng)的輸入、輸出被隔離，UC3842受到的干擾減少。2.2.5vt3的導(dǎo)通保護(hù)電路主要由VT2、VT3組成過壓保護(hù)電路，當(dāng)反饋繞組電壓升高時(shí)，VT2導(dǎo)通，之后VT3也導(dǎo)通，VT3導(dǎo)通后加大VT1的導(dǎo)通程度，從而起到過壓保護(hù)作用。另外，熔斷器FU1要具有耐壓、耐沖擊特性，一旦機(jī)內(nèi)發(fā)生短路，F(xiàn)U1熔斷，切開電源，但這只是作為其中一種輔助性的保護(hù)手段。在輸入端加熱敏電阻RT1和壓敏電阻RV1也使電路的可靠性和保護(hù)性加強(qiáng)。2.3壓閉電源的開口原理2.3.1變壓器電源參數(shù)設(shè)計(jì)首先，由電源通過啟動(dòng)電阻R2提供電流給電容C1充電，當(dāng)C1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端輸出推動(dòng)開關(guān)管VT1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(chǎng)效應(yīng)管VT1導(dǎo)通，電流通過變壓器原邊，同時(shí)把能量?jī)?chǔ)存在變壓器中。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)，VT1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(shì)，此時(shí)副邊各路二極管導(dǎo)通，向外提供能量，同時(shí)反饋線圈向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，它的消耗電流為15mA。因?yàn)閁C3842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R2。一般，隨著UC3842的啟動(dòng)，R2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。2.3.2vt1導(dǎo)通和截止C5和R8分別為時(shí)間電容和電阻，它們的大小決定振蕩頻率，f=1.8/（RTCT）。R5為電流采樣電阻，它的變化反映輸入電壓的變化。由恒頻時(shí)鐘脈沖置位UC3842的鎖存器，以驅(qū)動(dòng)VT1導(dǎo)通。當(dāng)VT1導(dǎo)通時(shí)，R5上的電流逐漸增大，它的壓降增加，通過R9將這個(gè)電壓反饋到芯片3腳，該電壓與電流比較器的另一端進(jìn)行比較，當(dāng)這個(gè)壓降達(dá)到一定值時(shí)，電流取樣比較器翻轉(zhuǎn)，鎖存器復(fù)位，VT1截止。VT1導(dǎo)通時(shí)，電流流過變壓器原邊，把能量存在變壓器中。此時(shí)，變壓器副邊沒有能量輸出；當(dāng)VT1截止時(shí)，副邊各級(jí)二極管導(dǎo)通，向外提供能量。因此，VT1的導(dǎo)通和截止使得變壓器副邊耦合輸出為開/關(guān)電壓。電流采樣電阻R5的峰值電流由誤差放大器控制，R9和C7構(gòu)成的濾波器消去VT1導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的電流尖峰，防止電流取樣比較器的誤動(dòng)作。2.3.3光催化器輸出電壓降低變壓器輸出通過三端穩(wěn)壓器TL431和光耦PC817以電壓反饋的形式反饋到UC3842的2腳。當(dāng)輸出繞組電壓增大時(shí)，加在三端穩(wěn)壓器TL431上的參考電壓升高，通過光耦器件PC817中二極管的電流增大，三極管上的電流也相應(yīng)增大，UC3842的反饋端電壓值增大，輸出端的脈沖信號(hào)占空比降低，VT1的導(dǎo)通時(shí)間減少，從而輸出電壓降低。輸出繞組電壓降低時(shí)的情況與上述過程正好相反?？梢姡ㄟ^輸出端的電壓反饋和輸入端的電流反饋，使輸出繞組的電壓輸出穩(wěn)定在要求值。2.3.4變壓器的調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和效率為了檢驗(yàn)該開關(guān)電源的性能，對(duì)上述應(yīng)用電路進(jìn)行了性能測(cè)試，開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、紋波和效率如表1所示（表中Upp為電壓峰峰值）。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在寬電壓輸入變化范圍