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電源裝置是電力電子技術應用的一個重要領域，其中高頻開關式直流穩壓電源由丁具有效率高、體積小、重量輕等突出優點．而得到了廣泛應用。本文詳細介紹一種電流控制型開關電源，以低成本的UC3842 PWM控制芯片為核心構成的多路輸出的開關電源設計電路。本設計采用高性能的專用芯片UC3842，應用原邊檢測技術去除副邊反饋環，從而降低了成本。 1 單端反激式變換器的特點 單端反激式變換器又稱電感儲能式變換器，工作原理如圖l所示，當開關管S1被PWM脈沖激勵而導通時，次級整流二極管D1截止，輸出電容C給負載供電。直流輸入電壓施加到高頻變壓器T的原邊繞組上，此時NP相當于一個純電感，流過NP的電流線性上升，電源能量以磁能形式存儲在電感中：當開關管S1截止時，由于電感電流不能突變，原邊繞組兩端電壓極性反向，副邊繞組上的電壓極性顛倒使D1導通，原邊儲存的能量傳送到副邊，提供負載電流，同時給輸出電容充電。 單端反激式變換器通常采用加氣隙來增大可工作的磁場強度H，減少剩余磁感應強度；當反激式變換器處于連續工作模式時，氣隙可有效防止磁芯飽和，因而可增大電源的輸出功率，減少變壓器磁芯損耗，進一步提高開關頻率。 2 UC3842結構和功能介紹 UC3842芯片是一種單端隔離式電流型脈寬調制集成電路，其主要特點是： (1)外接元件少，外圍電路簡單，價格便宜； (2)無需輸入變壓器，啟動電流小； (3)具有精密的電壓基準源(±l％)； (4)大電流(1 A)PWM輸出級，可直接驅動功率MOS管； (5)有欠電壓封鎖和過電流保護功能； (6)工作頻率可達500kHz。 UC3842芯片能同時滿足較好的電氣性能和較低的成本，因而被廣泛用于小功率開關電源。其內部框圖如圖2所示。腳l為補償端子，外接RC網絡可補償誤差放大器的頻率響應；腳2是電壓反饋端，取樣電壓加在誤差放大器的反相輸入端，與2．5V的基準電壓進行比較，產生誤差電壓；腳3為電流檢測輸入端，外接檢測電阻，可構成過流保護電路，當腳3電壓等于或高于lV時，電流檢測比較器輸出高電平，復位PWM鎖存器，從而關閉輸出脈沖，達到限流保護的目的。因此，被檢測的峰值電流為 式中：Rs為功率開關管的電流檢測電阻。在本設計方案中Rs選擇0.33Ω。 腳4外接定時電阻和電容，用以確定振蕩器的工作頻率，其計算公式為 腳6為輸出端，采用圖騰式輸出，輸出平均電流為200mA，最大電流為lA。腳7是其電源端，芯片工作的開啟電壓為16V，欠壓鎖定電壓為10V，6V的啟動與關閉差值可有效地防止電路在門限值電壓附近時產生振蕩；腳8是其內部基準電壓(5V)。 3 電源電路的工作原理 圖3為工作原理圖，交流輸入電壓經整流平滑后為電路提供直流工作電壓，起動電路出電容C4和R1構成，C4經電阻R1充電，當C4電壓達到UC3842的啟動電壓16V時，UC3842的腳6有驅動信號輸出，啟動過程完成后其正常的工作電壓由饋電線圈N6上的高頻電壓經R10、D2、C4整流濾波后提供，同時也作為電壓反饋信號，經R3、R4分壓后送到電壓比較器的反相輸入端(腳2)與UC3842內部的2．5V基準電壓作比較來調整驅動脈沖寬度，從而改變輸出電壓以實現對輸出的控制；C8、R11、D3為主功率器件S1的緩沖回路，以吸收S1漏源極的電壓尖峰；C2、R2、D1則作為脈沖變壓器的緩沖回路，吸收N1的漏感所產生的尖峰，以防止功率器件的損壞；R8、C6構成濾波器以濾去由Rs檢測的電流中可能會有的毛刺，防止電流比較器的誤動作。 4 高頻變壓器的參數設計 本沒計的目標是完成一個交流輸入電壓范圍為220(1±20％)V，輸出為24V／500mA、±15V／600mA、5V／2A的多級輸出，效率η=75％，最大占空比D=O．5，工作頻率f=50kHz的開關穩壓直流電源。 單端反激式工關電源中變壓器不僅作為變壓器使用，同時又作為儲能電感，它的設計方法與其他類型的變壓器不同。其設計參數豐要有以下3項： (1)求出原邊繞組電感量； (2)選擇規格、尺寸合適的高頻變壓器磁芯； (3)計算原副邊繞組匝數。 4．1 計算原邊電感量Lp及變壓器氣隙δ 考慮到輸入電壓有±20％的波動，即要求該單端反激開關電源在交流電壓180～260V范圍內都能正常工作。原邊繞組流過的峰值電流Ip為 式中：輸出功率Po=24×0．5+15×0．6×2+5×2=40W； 取反激變壓器最大占空比Dmax=0．5； Vs應取最小值 Vs(min)=180×1．4-20=232V 其中20V為直流紋波及整流橋壓降之和。 將各已知量代入式(3)得 假設電壓Vs波動下限為7％，Vs(min)232(1-0．07)=216V，則 本設計中變壓器選用由鐵氧體R2KB材料制成的GU26×16罐型磁芯，其所需氣隙長度可由下式計算 式中：Ae為磁心有效截面積； 即工作磁感應強度變化值取飽和值8s的一半，查閱R2KB鐵氧體磁性能表可知，其飽和磁感應強度Bs=3500GS，則 磁芯有效截面積A=97．25mm2代入各值計算可得 4．2 原副邊繞組匝數 原邊繞組匝數計算公式為 將4．1中得到的各量代入得N1=128匝。 副邊繞組陌數的選取下面以24V輸出為例介紹設計的思路，副邊繞組匝數的計算公式為 式中：VD為整流二極管正向壓降。 代入數據，得 取N2=14匝。 取UC3842的工作電壓為15V，則反饋繞組 取9匝，式中的lV為整流管的導通壓降。 5 實驗結果 為了檢驗該開關電源的性能，本文按上述應用電路進行了測試，開關電源的電壓調整率、負載調整率、紋波和效率如表l所示。 實驗得到的測試值與理論上的計算值基本符合。實驗證明了設計電路完全達到了預定的性能指標。 6 結語 本文利用集成芯片UC3842設計的電流型脈寬調制單端反激式開關穩壓電源克服了電壓控制脈寬調制開關穩壓電源頻響慢、電壓調整率和負載調整率低的缺點，電路結構簡單，成本低、體積小、易實現。實驗表明該電源的性能可同集成穩壓器媲美，效率比線性穩壓電源高，有很好的發展前景。 |
