反激开关电源

摘要随着电力电子技术的发展，开关电源的应用越来越广泛，反激型开关电源以其设计简单、体积小、轻量和高效率的特点，被广泛地应用于各种小功率场合的电器设备和系统中，在当代经济和科技高速发展的时代，电源起到了关键性的作用。电源设备是电力电子技术的一个重要应用领域。目前，随着电源技术的蓬勃发展，开关电源朝高频化、集成化的方向前进。与线性稳压器相比，虽然开关电源设计比较复杂，某些指标可能比不上线性稳压器，且噪声较大，但是高频开关稳压电源由于具有体积小、重量轻、效率高、性能稳定等突出优点而受到广泛关注，得到了广泛的应用。本文利用反激式变压器的特点，基于UC3842设计了一个反激式开关电源，反激式开关电源一般由PWM控制芯片（UC3842）和功率开关管（MOSFET）组成，它由输入整流滤波电路、箝位保护电路、高频变压器、输出整流滤波电路、反馈电路、隔离驱动电路和保护电路组成，它是利用变压器的漏感和功率管的寄生电容实现零电压开关，使开关损耗大为降低，从而减小了开关的体积，提高了效率。分析了系统的整个原理框图，并对其工作过程进行了描述。并对变压器等参数进行了计算与设计，包括占空比计算、原边与输出边匝数计算。最后利用saber软件对所设计的开关电源进行建模仿真，分析了其仿真波形图。对所生产出来的样机进行了性能测试，并对测试所得到的实际数据进行了分析验证。关键词：开关电源；uc3842；反激式；高频变压器；saberABSTRACTAlongwiththedevelopmentofthepowerelectronictechnology,theapplicationofswitchpowersupplyismoreandmoreextensive.Flybacktypeswitchpowerwithitsdesignsimple,smallvolume,lightweightandthecharacteristicsofhighefficiency,whichiswidelyusedinallkindsofsmallpowersituationtheelectricalequipmentandsystems,Powerhasplayedakeyroleintheeraofrapiddevelopmentofcontemporaryeconomicandtechnological，Thepowersupplyisanimportantapplicationfieldofpowerelectronicstechnology.Atpresent,withtherapiddevelopmentofpowersupplytechnology,switchingpowersupplygotowardthehigh-frequencyintegrateddirection.Comparedtolinearregulators,switchingpowersupplydesignismorecomplex，someindicatorsmaynotbegoodaslinearregulator,andthenoiseisbig,butbecauseofitssmallsize,lightweight,highefficiency,stableperformanceandotherprominentadvantages,thehigh-frequencyswitchingpowersupplyisfavoredandusedwidely.Inthispaper,usingthecharacteristicsoftheflybacktransformer,amultiportflybackswitchingpowersupplyisdesignedbasedontheUC3842,whichprovidesoneoutputvoltage.FlybacktypeswitchpowersupplybyPWMcontrolchip(generalUC3842)andpowerswitchdevice(MOSFET)composition,withinputrectifierfiltercircuit,ground-clampprotectioncircuit,highfrequencytransformers,outputrectifierfiltercircuit,feedbackcircuit,drivecircuitandsimplifyingprotectioncircuit,whichiscomposedoftransformerleakageoffeelingandpowerdeviceparasiticcapacitanceofzerovoltageswitchtomaketheswitch,andgreatlyreduceloss,thusreducethevolumeoftheswitch,andimprovetheefficiency.Theentireblockdiagramofthesystemandabriefdescriptionoftheworkprocessareintroduced.bywhichtheparameterofhigh-frequencytransformeriscalculatedanddesigned,includingthedutycycle,theprimarysideandtheoutputsideturns,AtlastweuseSabersoftwaretomodelandsimulatetheswitchingpowersupply,andexplainthesimulationwaveform.Alsotheprototypeistestedandthetestdataisanalyzedandverificated.Keywords:Switchingpowersupply;UC3842；Flyback；High-frequencytransformer；SABER目录1绪论.11.1开关电源的背景及意义.11.2开关电源的应用及现状.11.3开关电源国内发展现状及存在的问题.21.4开关电源的安全.31.5研究的目的.32反激式开关电源.52.1开关电源的分类.52.2开关电源的工作原理.52.3开关电源的构成及控制方式.62.4开关电源的优缺点.72.5反激开关变换电路.73UC3842式开关电源的简介.103.1UC3842芯片及功能介绍.103.1.1UC3842芯片介绍.103.1.2UC3842的使用特点.113.2.控制电路.123.3电流型控制电路.123.4UC3842组成的反激式开关电源.133.4.1电路原理图.133.4.2电路工作原理.143.5开关电源外围电路的设计.144反激开关电路参数设计.174.1电路主要参数设计.174.1.1电路技术指标设计.174.1.2变压器设计.175使用Saber仿真对开关电源仿真.205.1仿真软件Saber介绍.205.2saber软件建模.205.3saber仿真波形的的分析.216结论.23参考文献.24翻译部分.25致谢.421绪论1.1开关电源的背景及意义随着经济的不断地发展，科学技术不断地进步，节约能源已经被社会各界所广泛的关注。其中，开关电源是节能的一个重要部分，所以要实现开关电源绿色化。开关电源是使用当代电力电子技术，用运功率半导体器件来作为开关，通过开关的导通和关断的比率，来调整输出电压稳定的一种电源。早已经在20世纪80年代，计算机就完成了开关电源化并实现了计算机电源换代。到达90年代时，开关电源早已广泛应用在不同的电子、电气设备，通信、程控交流机、电力检测设备电源和控制设备等电源当中。同时，电源技术也是一门非常重要的基础科学和技术，在近几年中开关电源的使用非常广泛,它具有体积小，重量轻、能耗低、使用方便等优点，开关电源已经应用于各类的电子产品当中。在现代有很多高新技术均与市电的电压、电流、频率、相位和波形等基本参数的改变和控制有很大的关系，电源技术可以充分的实现对这些参数的精确高效率的控制和处理，特别是能够实现大功率电能的频率变换，从而为多项高新技术的发展提供了强有力的支持。电源技术不仅仅本身是一项高新技术，并且还是其它多项高新技术的发展和创新的基础。电源技术和其相关的产业的进一步发展一定能够大幅度节省电能、减少材料消耗同时为提高生产的效率提供了非常重要的手段，并且为现代的生活和生产带来深远的影响。目前，电力电子技术正朝着硬件结构模块化、产品性能数字化、应用技术高频化的方向发展，开关电源的外部形状、内部结构都是由储能元件、磁性元件等器件所决定，所以开关电源的小型化就是要减小当中元器件的体积。并且在一定的范围内，提高开关的频率，不仅有利于抑制干扰，改善性能，而且能有效的减少电容、电感和变压器的尺寸，所以高频化是开关电源的重点开发之一。1.2开关电源的应用及现状1955年美国的罗耶GH.Roger发明自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，实现了高频转换控制电路，1957年美国查赛JenSen发明了自激式推挽双变压器，1964年美国的科学家们提出了取消工频变压器的串联开关电源的设想，这使得电源的体积和重量有了一定的下降。到了1969年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管的反向恢1复时间缩短等元器件改善，终于完成了25KHz的开关电源。在90年代开关电源相继进入1了各种电子、电气设备领域，通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，它更加促进了开关电源技术的迅速发展。随着开关工作频率的不断上升，由于高频造成的开关损耗也逐渐成为了一个比较重要的问题，尤其是如果工作频率不改变，开关损耗不改变，随着负载的不断减轻，系统的效率会随着下降。于是，为了保持电源的工作效率的不变，新一代的开关电源芯片不在只是追求高得工作频率，而是仔细的分析和处理相关损耗的问题。在小负载时，经过降低工作频率以来减少开关损耗，来保持高效率的工作。这种仔细区分负载情况，在不同负载下采用不同模式进行控制的多模式技术是提高效率的一个趋势。降低开关损耗的另一个办法就是从开关损耗的自身出发，对引起开关损耗的本质进行改变。引起开关损耗的原因是因为开关器件的实际曲线不是瞬间导通或关断的理想图像，而是在变化过程中存在着电压与电流不为零的交叠区域。对此，开关电源设计的领域出现了软开关技术，即零电压开关和零电流开关。零电压开关使开关在电压为零时开关导通，零电流开关使开关在电流为零的时候开关关断。现在，高频化、模块化、小型化、数字化和智能化是直流开关电源的发展方向，高频化是模块化和小型化的基础，在当今开关电源的频率为数百kHZ至数mHZ的开关电源也已经早有使用。功率的重量比或功率的体积比是表征电源小型化的一个重要指标。模块化和小型化是分不开的，同时模块化可以显著的提高电源的可靠性和使用灵活性，简化生产和使用。模块电源的并联、串联和级联既有利于用户的使用，也有利于生产。智能化是方便于使用和维修的基础，在无人值守的电源机房、航空和航天电器电源系统等都要求高度智能化，以实现正常、故障应急和危急情况下对电源的自动管理。同时数字化是电源发展的必然历程，我们只要回想一下这二十多年来个人计算机、服务器、网络和数字通信技术给我们的工作生活带来的重大变化，就会认同这一点。给数字系统供电，将来最好的恐怕是数字控制的电源，他给控制系统带来更多的选择集技术控制方法的改进。进入数字系统，不仅使整个元器件数在大幅减少，而且使整个电源的体积也在大幅的减少。1.3开关电源国内发展现状及存在的问题在我国开关电源是在上个世纪60年代初起步，60年代中期时进入了实际应用阶段，在70年代初就能够自行研发无功频率降压型开关电源。在近20年中，我国的研发中心、企业等己经成功的制造出了工作频率在20kHz左右的多种开关电源它们的输出功率在一千瓦以下，并且已经普遍运用在电脑、手机、MP4等无线设备，取得了比较理想的成果。在上个世纪八十年代初，我国开始研发工作频率为200kHz的高频开关电源，经过10年的努力，在90年代初研制成功，而且逐渐走向实用阶段。许多年来，虽然我国在开关电源研究方面作出了很大的努力，并且也取得了比较理想的效果。但是，我国目前的开关电源技术与一些先进的国家相比仍有相当大的差距。从客观上讲，开关电源的发展是非常快的，这是因为它具有其它电源无法比拟的优势。材料之新，用途之广，是它快速发展的主要动力，但是，它离人们的要求、应用的价值还是差的很远，体积重量、效率等实用的安全性还有进一步的发展空间。目前需要解决的问题有：（1）器件问题：开关电源的控制集成度不高，这就影响了开关电源的稳定性和可靠性，同时对开关电源的体积和效率来说也是一个大的问题。（2）材料问题：开关电源使用的磁芯、电解电容及整流二极管都很笨重，也是耗能的主要根源。（3）能源变换的问题：根据习惯，变换有AC/DC变换DC/AC变换DC/DC变换等，这些变换的实现是以频率为基础，以改变电压为目的的，工艺复杂，控制难度大，始终难以形成大规模生产。（4）软件问题：开关电源要做到软开关并实行程序化，是有一定的难度的。要做到功率转换，功率因数改善，全程自动检测控制实现软件操作，目前还存在这很大的差距。（5）生产工艺问题：在实验的时候能够达到相关的指标，但是在生产的时候就会出现各种的问题，例如焊接问题、元件技术性能问题等。1.4开关电源的安全设计开关电源，要考虑以下六个安全方面的问题：（1）防漏电如在冷热地段之间的爬电距离必须大于6mm，俩输入端的爬电距离必须大于3mm。（2）防过热起火对开关MOSFET要采取适当的散热措施，一面过热烧坏或起火；高频变压器必须有合适的空间散热，以保持其传输效率（3）防爆特别是电解电容，通常点解电容耐压值应大于1.25倍输入电压；同时还应当注意电解电容的容值会随着温度的升高而降低，并且长时间过高温度工作会降低其寿命（温度每上升10度，电容的寿命减半），最终影响整个开关电源的使用寿命。（4）防浪涌当开关电源的输入开关导通时，给输入端较大的电容器充电，所以会在较短时间内有较大的电流过，此电流即是浪涌电流，浪涌电流的峰值通常为一般输入电流的数十倍。因此浪涌峰值电流会对开关造成损坏，尤其是对低压的工频线路会造成损坏。故设计开关电源时，必设置防浪涌电路，以减小电流的绝对值。有三种防浪涌形式，分别为电阻式、负温度电阻式、晶闸管式。（5）EMC（电磁兼容）除了电路设计中所采取的防止EMI措施外，还可以使用如下办法：将关键器件贴在接地的导体上；将电源的输出线与返回线成对。实际中，辐射的噪声必须通过天线才能辐射出去，若能很好的控制传导噪声，可以消除80%的辐射噪声。（6）平均无故障时间它是开关电源寿命的最终指标，只要电路元件的参数是严格按照时间的电路要求设计的，就能够提高电源的寿命。1.5研究的目的首先高频化。开关电源频率要高，这样动态响应才能快，配合高速微处理器工作是必要的，也是减小开关电源体积的重要途径。高频率减少了能量在传递过程中的损失，最理想的情况便是输入端的能量完全传递到了输出端，在开关电源内部不损失任何能量，开关电源仅仅是起到了能量形式转化的作用，如果在电源的内部有较大损失，这部分能量转化为热能损耗在器件上，就要求开关电源有散热设计。其次要减小体积，变压器电感、电容都要减小体积。模块化的目的不仅在于方便，减小体积，更重要的是取消传统的连线，把寄生参数降到最小，从而把器件所承受的电应力降到最小，提高系统的可靠性。开关电源应用领域中小型化，集成化的需求越来越高。最后是绿色化。首先是节省电能，这就意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节省电能就减少对环境的污染；其次这些电源不能对电网产生污染，20世纪末有源滤波器和有源补偿器方案的诞生为绿色开关电源产品奠定了基础。然而当今能源日益趋向紧张，全世界也开始意识到节约能源的重要性，对于电子设备的功耗提出了硬性的指标规定。提高开关电源的效率不再是节省使用者电费开支的额外功能，开始成为各个产品必须满足的一项技术指标。2反激式开关电源2.1开关电源的分类开关电源具有许多不同的类型，根据不同的类型可以分成不同的几类，其中开关电源根据电路的输出稳压控制方式能够分成脉冲宽度调制式、脉冲频率调制式和脉冲频率调宽式这三种；按照开关电源的触发方式能够分成自激式开关电源和它激式开关电源；按照电路的输出取样方式能够分成直接输出取样开关电源和间接输出取样开关电源；按照开关管的连接方式能够分成单端正激开关电源、单端反激开关电源、半桥开关电源和全桥开关电源；按照功率开关与电源供电、储能电感、稳压电压的输出方式分为串联开关电源和并联开关电源。按照变换器的工作方式能够分成正激式、反激式、推挽式、半桥式、全桥式、降压式、升压式和升降压式等。下面是对几种电源简单的介绍：反激式电源：电路拓扑结构简单，元器件数少，成本比较低。这类型变换器的磁芯单项磁化，控制简单，开关器件所承受的电流峰值比较大，普遍用于小功率开关电源中，比较容易实现多路输出。正激式电源：这类变换器的拓扑结构形式与反激式变换器相类似，磁芯也是单向磁化，但是也是有一定的区别的，变压器有着电气隔离作用，电路变压器的工作点处于磁化曲线的第一象限，没有能够得到充分的利用，因此同样的功率，其变换器体积重量损耗大于半桥式、全桥式、推挽式变换电路。普遍用于功率在数百瓦到数千瓦的开关电源当中。半桥式电源：电路的拓扑结构比较复杂，但是磁心的利用率较高，没有偏磁的问题，而且功率开关管的耐压要求低，不超过线路的最高峰值电压。克服了推挽式的缺点，适合用于高输入电压的场合。全桥式电源：电路的拓扑结构复杂，但是在所有隔离型开关电源当中，采用相同的电压和电流容量的开关器件时，全桥型电路能够达到最大的功率，目前全桥型电路普遍被用于数百瓦到数千瓦的各种工业用开关电源中。推挽式电源：电路形式上是俩个对称的正激式变换器的组合，只是在工作时相位相反。变压器的磁芯双向磁化，因此相同铁芯尺寸的输出功率是正激式的近一倍，但如果加在俩个原边绕组上的体积稍有偏差就会出现铁芯偏磁现象，适用于中功率输出。2.2开关电源的工作原理开关电源通过控制开关管进行高速的导通与截止，将直流电转化为高频率的交流电给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压。开关电压器的体积很小，而且工作时不是很热，成本也比较低。其工作原理是：交流电进入电路后，先通过滤波整流电路转变成高压直流电，然后通过MOS开关管和高频变压器高频斩波为低压输出，然后再经过整流滤波电路，最后输出低压直流电源。同时在输出端口采样输出电压反馈到控制电路，使控制电路控制MOS开关，自动选择合适的占空比以得到稳定的输出电压。同时内置一些检测保护电路，为了在过热、过压和过流情况等发生时暂时关闭芯片，使其停止工作，防止芯片因此而损坏。由图2.1可知开关电源结构主要由三个部分组成：（1）主电路：从AC交流电输入到最后的直流输出，主要包括输入整流滤波器、MOS开关管、高频变压器和输出整流滤波器。（2）控制电路：信号反馈电路，主要是由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路组成。（3）检测和保护电路：芯片保护电路，主要包括过流保护、过压保护、欠压保护、死区控制等电路。2.3开关电源的构成及控制方式开关电源主要由以下四个基本环节构成(1)DC/DC变换器：用以进行功率变换，是开关电源的核心部分。DCDC变换器有多种电路形式，其中控制波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振变换器应用较为普遍。(2)驱动器：开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号放大、整形，以适应开关管的驱动要求。(3)信号源：产生控制信号，由它激或自激电路产生，可以是PWM信号，也可以是PFM信号或其它信号。(4)比较放大器：对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，达到稳定输出电压的目的。输入滤波AC整流滤波MOS开关高频变压器输出整流滤波直流输出检测电路辅助电源保护电路控制电路图2.1开关电源的基本框图开关电源和线性电源相比，输入的瞬态变换比较多的表现在输出端，在提高开关频率的同时，由于反馈放大器的频率特性得到改善，开关电源的瞬态响应指标也能得到改善。负载变换瞬态相应主要由输出端LC滤波器的特性决定，所以可以通过提高开关频率、降低输出滤波器LC的值的方法改善瞬态响应特性。开关电源的控制方式（1）脉冲宽度调制式由开关电源输出直流电压的表达式可得知，控制开关管的导通时间t，DUio可以调整输出电压，可以达到输出电压稳定的目的。脉冲宽度调制（PWM）方式是采用恒0U频控制，即固定开想关周期T，通过改变脉冲宽度ton来实现输出稳压。开关器件的开关频率由自激或它激方式产生。f（2）脉冲频率调制式脉冲频率调制（PFM）方式是利用反馈来控制开关脉冲频率或开关脉冲周期，实现调节脉冲占空比D，达到输出稳压的目的。（3）脉冲调频调宽式这种控制方式是利用反馈控制回路，即控制脉冲宽度t，又控制脉冲开关周期T，以实现调节脉冲占空比D，从而达到输出稳压的目的。2.4开关电源的优缺点开关电源的优点是：具有功耗小，效率高，体积小，重量轻，稳压范围宽，滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减小，开关电源具有各种保护功能，提高了开关电源的工作的可靠性，电路形式灵活多样等。其缺点是：存在较为严重的开关干扰，在开关电源中，功率开关管工作在开关状态，在其开关过程中会产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重的影响整个系统的正常工作。DC/DC变换器驱动器PWM比较放大器U0R1R2UrU1图2.2开关电源的基本构成2.5反激开关变换电路反激开关变换电路原理如图2.3所示。反激式开关电路中的变压器具有储能的作用，可以看做为一对相互耦合的电感。当功率开关管VT导通时，输入端的电能以磁能的形式储存在变压器的初级线圈N1中，由于同名端关系，次级侧二极管V1不导通，负载没有电流通过。当功率开关晶体管VT断开时，变压器次级绕组以输出电压U0为负载供电。正激型开关电源，当初级绕组开关S导通时，次级绕组有电流通过，变压器释放能量。反激变换器与正激变换器除了工作原理不同外，在电路结构上比正激变换器少了一个续流二极管和一个电感储能滤波器。没有磁复位绕组，这是因为在变换器反激期间，二次侧绕组和整流对二极管构成电流回路，同时完成了磁复位功能。反激式变换器输出纹波电压大，电压和电流调整率低，要提高性能指标，可以增滤波电容和辅助LC滤波器。反激式开关电源主要有俩种工作模式（1）连续工作模式：它的工作原理是PWM脉冲激励开关管导通，这时V加在原边绕组上，原边电感储存能量，在下一次脉冲到来之前，变压器储存的能量没有释放完全，使得次级电流没有降到零便开始了下一个过程。即当开关开通时，次级绕组中的电流还未下降到零。输出和输入电压的关系为OFNTU120（2）断续工作模式，它的工作原理与连续模式相比的不同点是在下一次脉冲到来之前，变压器储存的能量已经释放完全，次级电流已经降到零，下一个过程初级的电流又开始从零增加。即开关开通前，次级绕组中的电流已经下降到零。其输出电压高于电流连续时的值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，U0趋向于无穷。因此反激开关电路不能工作于负载开路状态。输出和输入电压的关系为式中：在电KNU121RTDLkS2流断续模式下，与的关系不仅与占空比（D）有关，而且还与负载电流的大小有关。outinU输出电压为：02ILfsNOTUiN1N2TCV1VTCRU0图2.3反激开关电源电路当电路工作在断续模式时，输出电压随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，这将会损坏电路中的元器件，因此反激型电路不应该工作在负载的开0U路状态。因为反激型电路变压器的绕组N1和N2在工作中不会同时有电流流过，不存在磁动势相互抵消的可能，因此变压器磁心的磁通密你度取决于绕组中电流的大小。反激型电路变压器的工作点也仅处于磁化曲线平面的第一象限，利用率低而且开关器件承受的电流峰值很大，不适用于较大功率的开关电源。反激开关电源电路简单，输出电压即可高于输0U入电压又可低于输入电压，一般适用于在输出功率200W以下的开关电源中。所以iUiU连续工作模式的特点是：高频变压器在每个开关周期，都是从非零的能量储存状态开始的。断续工作模式的特点是：储存在高频变压器中的能量在每个开关周期内都要完全释放掉。电压控制模式和电流控制模式俩种方法是反激变换器中的反馈回路和稳压特性。在电压控制模式中，变换器的占空比正比于实际输出电压与理想输出电压之间的误差电压值，电压模式控制只响应输出电压的变化。为了响应负载电流和输入电压的变化，必须等待负载电压的响应变化，这样会延迟影响变换器的稳压特性，使负载或输入电压扰动产生响应的输出电压干扰。电流控制模式是把变换器分成俩条控制环路，即电流控制通过内部控制环路，电压控制通过外部控制环路，其结果在逐个脉冲上既可以响应负载电压的变化，也可以响应电流的变化。反激变换器开关导通时，电感电流变化率较大，尤其是电流断续状态，这对电流控制场合非常适合，在反激变换器中首先推荐使用电流控制型。同电压控制模式相比，电流控制模式具有更好的电压调整率和负载调整率，系统的稳定性和动态特性得以明显改善；电流控制模式因其内在的限流能力和并联均流能力使控制电路简单可靠；峰值电感电流检测技术可以精确地限制输出最大电流，开关电源的高频变压器和功率元件不必设计较大的余量，这样就能稳压电源，使成本降低。3UC3842式开关电源的简介3.1UC3842芯片及功能介绍3.1.1UC3842芯片介绍UC3842的特点是除内部PWM系统外，也有一个参考电压发生器的多重保护输入和稳定，但也有一小电流启动功能。它功能完善。工作可靠性高，已广泛应用于各种电源，也可以用来提高电路和高压升压开关电源中的活性因子。UC3842为双列8脚单端输出的它激式开关电源驱动集成电路，内部结构框如图所示：25.0V基准电压VCC输入欠压锁定电路Vref基准欠压锁定电路PWM锁存器振荡器+-8VrefRC2反馈1补偿7VCC6输出5电源地3电流检测图3.1UC3842内部框图UC3842的组成：UC3842内部是由5V基准电源（能够提供5V/50mA的输出）、振荡器（决定电源的开关频率）、误差放大器（由VFB端输入的反馈电压和2.5V作比较，用于调节脉冲宽度，来改变增益和频率特性）、电流取样比较器（3脚ISENSE用于检测开关管电流，当大于1V时，关闭输出脉冲，迫使开关管关断，达到过流保护的目的）、PWM锁存（保证每一个控制脉冲作用不超过一个脉冲周期，同时，VCC与CND之间的稳压管用于保护，防止器件损坏）、输出电路（图腾柱输出电路，输出PWM触发信号，可驱动MOS管及双极型晶体管）等组成。UC3842引脚功能及应用（1）脚1（COMP）：误差放大器输出端，用于外部回路补偿。（2）脚2（VFB）：误差放大器反相输入端。闭环系统中，接输出电压反馈信号。（3）脚3（ISENSE）：电流检测比较器输入端。该端接电压或电流检测信号，实现过电压和过电流保护。（4）脚4（RT/CT）：振荡器定时元件接入端。（5）脚5（GND）：接地端。（6）脚6（OUTPUT）：输出端。该端通过一外接电阻与MOS管的栅极相连，直接驱动功率MOS。（7）脚7（Ui）：电源接入端（取值1034V）。（8）脚8（Uref）为基准电源输出端，可提供稳定性极好的基准电压。3.1.2UC3842的使用特点（1）UC3842的输出是单端图腾柱式PWM脉冲输出，输出驱动电流为200mA，峰值可达。A2（2）启动电压大于16V。启动电流仅1mA便可进入工作状态。在正常工作状态时，工作电压一般在1034V之间，负载电流为15mA。超出这个限制，开关电源就呈现欠电压或过电压的状态，没有驱动脉冲输出。2（3）内部设有5V(50mA)的参考电压源，经过2:1分压作为取样基准电压。2（4）输出的电流为200mA，峰值为1A，便能够驱动MOSFET管，振荡频率由外接RC电路设定，工作频率最高可达500kHz。2（5）内部设有过流保护输入（3脚）和误差放大输入（1脚）俩个PWM控制端。（6）过流检测输入端可对逐个脉冲进行控制，直接控制每个周期的脉宽，使输出电压调整率达到0.01%/V。如果3脚的电压大于1V或1脚电压小于1V，PWM比较器输出高电平使锁存器复位，知道下一个脉冲到来时才重新置位。利用1脚和3脚的电平关系，在外电路控制锁存器的开断，使锁存器每个周期只输出一次触发脉冲。因此，抗干扰电路是很强的，不误触发开关，提高了可靠性。（7）内部振荡器的频率由4脚外接电阻与8脚外接电容设定。4脚和8脚外接RT、CT构成定时电路，CT的充电与放电过程构成一个振荡周期。其振荡频率可以由下式近似得2出：（3-1）TTCCRF.15.013.2.控制电路开关电源的控制电路包括误差放大器、基准、PWM发生电路、频率输出、输出采样电路和相关保护电路等，将这些功能电路集成在一块控制芯片中。控制芯片有俩类控制方式，即电压型控制和电流型控制。电压型控制芯片中用内部的锯齿波与误差放大器的输出进行比较，产生一个PWM的信号；而电流型控制芯片内部是没有锯齿波信号的，是利用采集功率管电流的锯齿波与误差放大器进行比较产生PWM信号，此外，其它部分都是相同的。3.3电流型控制电路在开关电源中，功率级都是直流输入，因此电感电流是锯齿波，将这个锯齿波与误差电压比较，也能用来作为占空比的调节。因为要稳定输出电压，还要电压采样，所以是双环。内环是电流环，外环是电压环。如图3.2所示是双闭环控制框图，把变换器分成俩个环路控制，电流控制环的电流取自功率开关或滤波电感中的电流，外环为电压控制环，取自于输出端电压。因此在每个开关脉冲周期中不仅可以影响负载电压的变化，而且可以影响负载电流的变化。其主要特点是：电压环控制环路的电压设置阈值，而在电压阈值内电流内环调整开关或初级电路中的峰值电流。输出电流正比于功率开关或滤波电感中的电流，因此整个电路还具有限流作5用，电流控制模式比电压控制模式更具有优越的电网调整率和负载调整率。时钟RQS锁存器Ur误差放大器PWM比较器UCUoUiRSUo图3.2电压和电流双闭环控制结构PWM脉宽调制型开关电源只对输出电压进行采样，属于电压型控制的单环控制，而电流型控制是在电压型控制的基础上增加了电流内环的双环控制，使得电源的电网调整率和负载调整率及瞬态响应特性都有所提高，而且电路比较简单。如图3.3所示是电流控制型电源的原理图，采样电阻RS上的波形实际上是变压器原边绕组中的（也是功率管发射极）的电流波形，是三角波，作为PWM比较器的电流给定，限定了功率管中的电流。误差放大器的俩个输入分别是基准信号和输出电压反馈信号，由此决定了输出电压的大小。电压调节电流调节PWM功率开关UiUfiifieLC负载UoRL图3.3电流控制型电源的原理图3.4UC3842组成的反激式开关电源3.4.1电路原理图在本设计中采用控制芯片是UC3842，电压的输出等级为5V，该电路的变换器是一个压降型的开关电路，是由单管驱动隔离变压器主绕组N1、C2、R3提供变压器初级泄放通路。下图为反激式开关电源原理图：图3.4反激式开关电源原理图3.4.2电路工作原理启动电路时由电容C3和R2组成，C3经电阻R2充电，当C3的电压达到16V时,UC3842开始有输出,使MOS开关管导通,能量存贮在变压器初级绕组N1中,这时,由于次级绕组整流二极管反向截止,故能量不能传递到N1的次级绕组,N1的初级电流通过采样电阻R10检测并与UC3842内部提供的基准电压进行比较,当达到基准电压时,MOS开关管关断,变压器的绕组极性反向,输出整流二极管导通,储存在初级绕组N1中的能量传递到输出电容器中。在启动结束后,反馈线圈N3上的的电压经整流后经取样电阻分压送回到误差放大器的反向端(2脚)和UC3842内部的基准电压2.5V进行比较来调整驱动脉冲的宽度,从而改变输出电压以实现对输出的控制。这样,能量周而复始地储存与释放,给输出端提供电压。3.5开关电源外围电路的设计1、缓冲电路在开关电源中，功率开关不可避免的与储能元件电感、电容相连接，在开关状态转换时，储能元件的电压或电流不能突变或迅速变化，否则会引起很高电压和大电流，开关的电流-电压轨迹经过损耗区，同时承受很高的开关应力，功率开关的瞬态开关损耗很高。缓冲电路的作用为了避免开关转换期间，功率管两端同时产生高电压和大电流，降低电压和电流尖峰，在电路中增加了辅助元件，使得开关过度时间内电流、电压变化减缓，这就是缓冲电路，同时也称为吸收电路、该电路的主要作用是：(1)减少或消除电压或电流尖峰；(2)限制di/dt或du/dt；(3)将负载线整形，使它在安全工作区（SOS）范围内；(4)将开关损耗从开关转移到电阻或负载；(5)减少开关的总损耗；(6)通过阻尼电压和电流减少振铃。2、开关管保护电路：C8、R11、VD3所组成的开关管保护电路能够消除开关管漏源间产生的反峰电压。MOS开关管截止时，MOS上的电流开始下降，变压器的漏感就会阻止电流减小，其中一部分电流继续流过MOS管，而另一部分则通过VD3对C8进行充电。C8的作用是阻止了漏源间电压的上快速升。C8越大，漏极间电压上升得越慢，这样就可以降低开关管的损耗。在选用续流二极管VD5时，选择了高频特性好的肖特基二极管，这种二极管在峰值电流为3A时，导通电压通常很小。由于缓冲二极管正向恢复电压Vfm是关断尖峰电压Vcep的组成部分，因此VDs应选用VFM小的快速二极管，同时要选用反向恢复时间短且最好的具有软恢复特性的二极管，以减少损耗和可能出现的振荡。同时，缓冲电容应选高频特性好的低损耗电容器。所以根据上式可求得C14=700pF/600V，R12=3K/2W。为了加强对开关管的保护，在变压器的原边也加一个缓冲吸收回路来抑制尖峰电压，如图3.4所示，形成了对开关管的双重保护。3、启动电路：启动电路主要是包括启动电阻R2和启动电容C3，R2由线路直流电压和启动所需的电流来确定。UC3842的典型启动电压为16V，启动电流为时进入工作状态，工cVmAIc1作时的负载电流为。mAIc15（3-2）cRiV2n当电源关闭时，电阻R2也就是电容C3的放电通路。在启动完成后，UC3842的消耗电流将会随着对MOS开关管的驱动而增加到100mA附近，该电流由电容C3在启动时贮存的电荷量供应，这时电容C3上的电压会减小，当C3上的电压减小到10V以上时，UC3842仍就可以继续工作。电容C3的容量为,CONiVTI12若是对高反压功率开关管提供更大的驱动电流，C3可以取的更大一些，C3的容量增大会使启动过程减慢，起到软启动的作用。4、短路过流，过压，欠压的保护电路：因为输入的电压不是很稳定，再加上其他的一些外在因素，有的时候会使电路出现短路，过压，欠压等不利于电路工作的现象产生。所以，电路一定要具有保护功能。假如因为某种原因，使输出端短路而产生过流，开关管的漏极电流将会大幅度上升，UC3842的脚3上的电压也将上升。当3脚的电压值超出正常值并且达到时，UC3842的PWMV3.01比较器会输出高电平，使得PWM锁存器复位，截止输出。这时候，UC3842的脚6没有输出，MOS管截止，从而保护了电路。5、整流滤波电路：为了进一步提高供电的质量，输出滤波器一概用共模电感和差模电容进行滤波。按照经验，每安培的电流可以取的电解滤波电容，此外，为了滤除高频电压尖峰，需要uF10在调试的过程中根据实际情况并联高频特性较好的独石电容。输出滤波电容C中电流为（3-0iiDcf3）式中为整流二极管电流、为输出电流。Di0i输出滤波电容的电流有效值为f（3-)1(3max2ax0DUpIocf4）6、功率开关管S：MOS开关管是三端电压控制型开关器件，在开关电源的电路中，MOS开关管的使用与双极型晶体管的使用相类似。当栅极有驱动电压时MOS管将会完全导通，驱动电压要求尽量满足减小导通压降的需求。当栅极没有驱动电压时MOS管截止，这时MOS管承受输入电压或其值的几倍。功率开关管一般采用高频特性好，内阻低的场效应晶体管，因为开关管的工作速度快，输入阻抗较高，功耗小，受温度影响小，驱动电路工作于300V电压，考虑到高频变压器的反向电动势约200V，线圈漏感引起的尖峰电压约为200V，所以功率管的反向击穿电压应选用大于800V的高反应场效应管，输出电阻值低，功率管的最大漏极电流应考虑整个电源的输出功率，在本设计中电源输出功率小，可选用MTPTN50。8、开关电源输出端对纹波幅值的影响主要有下面几个方面：（1）输入电源的噪声：主要是指输入电源中包含的交流成分。解决方法是在电源输入端接入电容C1，来滤除噪声的干扰。（2）高频信号噪声：开关电源中对直流输入进行高频斩波，然后利用高频变压器进行传输，在这一过程中，一定会掺入高频的噪声干扰，再有功率管器件在开关的过程中引起的高频噪声。对于这种高频噪声的解决方案法是在输出端采用型滤波方式，滤波电感要采用的电感，可以滤除高频噪声。uH150（3）采用快速恢复二极管D1、D2进行整流：基于低电压、低功耗、大电流的特点，有利于进一步提高电源的效率，其反向恢复时间较短，有利于减少高频噪声。4反激开关电路参数设计4.1电路主要参数设计4.1.1电路技术指标设计本设计的开关频率为100kHZ。高频变压器采用EE铁氧体磁芯，电源效率达到80%，输出的技术指标为：DC输入100VDC370VDC输出U0=15VI0=0.5AP0=7.5W4.1.2变压器设计变压器的设计参数是互相联系、互相制约的，因此在设计中要进行合理的估算，以达到优化设计。设计任何一种变压器中都会面临一组应关心的制约因素：因素之一是次级绕组在规定的调整率范围内能传递给负载的输出功率P0(工作电压乘以所需最大的电流)；因素之二是最高效率的工作，它决定了变压器能够允许的最大功率损耗；因素之三是确定当变压器在特定温度环境应用时可允许的最大温升。因素之四是变压器的体积和重量，尤其是航天应用领域，因为在航天飞行器的电子设备设计中一个重要目标是使重量最小。因素之五是成本，这始终是一个应重要考虑的因素。根据应用场合，这些制约因素中一定有一些因素将处支配地位，另一些起作用的参数可根据需要达到最希望的设计要求而进行权衡折衷，因为这些参数的相互依存和制约，要使在一个设计中做到所有参数都是最佳是不可能的。举例而言，若要设计一个体积小和重量轻的变压器，这常会要求变压器在较高频率下工作，然而会使效率降低。当频率不能提高时，要降低重量和体积，可选择效率更高的磁芯材料，但其代价是增加成本，因此应采取合理的折衷以达到设计的目标。常用的MOS开关管耐压有600V和800V的，那么对于600V的MOS来说，要保留电%20压裕量，耐压能够达到480V。