基于UC3844的中功率反激式开关电源设计

1、基于UC3844的中功率开关电源设计研发部中试组严学明摘要：本文阐述了一种基于UC3844PWM （脉宽调制）控制器的新型单路中功率输出开关电源电路的设计，并阐述了反激式开关电源控制环路的一种设计方法。可以作为电机等控制领域的电源模块，具有很好的通用性，在实际应用中取得了很好的效果。关键词：电流型PWM ；UC3844；开关电源Design of the Medium Power Switching Power Supply Based on UC3844Research and development of test YAN Xue-mingAbstract:The paper expoun

2、ds a kind of design of new single channel medium-power switching mode power supplies which is based on UC3844PWM (PulseWidth Modulation controller, and expounds the general design method of the control-loop design of Flyback SMPS,It can be used as the power module in the fields of controlling such a

3、s for electric machinery,It can be used with great generality and has achieved great effect in actual usage.Key words:Current type PWM ；UC3844；Switching power supplies0引言开关电源被誉为高效、节能型电源，它代表着稳压电源的发展方向。目前，以电流型PWM （脉宽调制）控制器为核心的开关电源以其体积小、高性价比、外围电路简单、高可靠性获得了广泛应用，已成为设计中、小功率开关电源的优选产品。本文设计了一种主要用于电机控制领域中的新型单

4、路输出反激式开关电源，其电压调整率、负载调整率、电源效率都非常高。同时采用了线性光耦HCPL-181、三端可调稳压管TL431和运放积分电路配合控制作为信号反馈，大大提高了瞬态响应速度。1电流控制型开关电源的基本电路电流控制型开关电源是在电压控制环的基础上又增加了电流控制环，其工作原理及波形分别如图1（a 、（b ）所示。Us 为电流检测电阻RS 的压降，此时PWM 比较器兼作电流检测比较器。 图1电流型PWM 控制系统框图电流控制型需通过检测电阻来检测功率开关的开关电流，并且可逐个周期的限制电流，便于实现过电流保护。固定频率的时钟脉冲将PWM 锁存器置位，从Q 端输出的驱动信号为高电平，使功

5、率开关管VT 导通，高频变压器一次侧的电流线性地增大。当电流检测电阻Rs 上的压降达到并超过Ur 时，电流检测比较器翻转，输出的低电平信号将锁存器锁存，从Q 端输出的驱动信号变为低电平，令开关管关断，直到下一个时钟脉冲使PWM 锁存器复位。电流控制型开关电源主要具有以下优点：（1）它属于双闭环控制系统，外环由电压反馈电路构成，内环由电流反馈电流组成，并且电流反馈电流受电压反馈电路的控制。与电压反馈电路相比，电流反馈电路的增益宽带（Gain Bandwidth ）更大。（2）对输出电压瞬态变化的响应速度快，当输入电压发生变化时能迅速调整输出电压达到稳定值。这是因为输入电压的变化会导致一次侧电感电

6、流发生变化，进而使Us 改变，无须经过误差放大器，直接通过电流检测比较器就能改变输出脉冲的占空比。（3）在电压控制环和电流控制环的共同控制下，可提高电压调整率指标。（4）能简化误差放大器补偿网络设计。（5）只要开关电流脉冲的峰值达到设定的阀值，PWM 比较器就动作，使功率开关管关断，维持输出电压稳定。（6）本身带限电流保护电路，只需改变Rs 值，即可精确设定限电流阀值。2UC3844管脚功能简介UC3844是电流型单端输出式PWM 控制芯片，它主要由高频振荡、误差比较、电流取样比较、脉宽调制锁存、欠压锁定、过压保护等功能电路组成。7、5脚为正、负电源供应脚；1脚为误差放大器输出端，1、2脚之间

7、的阻容反馈网络，与内部电路构成闭环调节器；2脚为误差放大器反相输入端，该端接由输出电压回路来的反馈信号；3脚为电流检测比较器输入端，该端接电流或电压检测信号，以实现过流和过压保护；4脚为振荡定时元器件接入端；6脚为振荡信号输出端，经一外接电阻直接驱动电源开关管；8脚为基准电压输出端子，能提供标准5V 电压供振荡定时回路。3主电路拓补及详细参数下图2为本开关电源的原理图。输入电压为DC230VDC380V，输出功率可达96W ，24V/4A单路输出，开关频率f=39KHZ 。图2开关电源原理图4设计思路（1）磁心的选择高频变压器的最大承受功率Pm 与磁心截面积Sj (单位是cm 2 之间存在下述

8、经验公 式Sj =公式1其中Sj =CD ，C 为舌宽；D 为磁心厚度，Pm 单位为W 。现实际输出功率Po =24´4=96W 。设开关电源的效率h=85%，则高频变压器的额定输入功率P 1=Po /h=113W ，设计高频变压器时留出一点余量，可取Pm =130W 。 则Sj =1.71cm 2下表1给出了几组EER 系列型高频变压器磁心尺寸。型号TYPEEER28EER35EER39EER40EER42EER49A 28.535.639.140.042.049.0B 34.043.239.644.844.853.2尺寸Dimension in mm C 11.411.312.6

9、13.315.517.2D 9.911.312.513.315.517.2E 21.226.529.529.028.936.4F 25.031.229.230.830.837.6表1-变压器尺寸大小表格通过计算可知，EER40型磁心的Sj =1.33´1.33=1.76cm 2，与之非常接近。（2）计算脉冲信号的最大占空比D max此开关电源的设计输入电压为DC230VDC380V之间。单端反激式开关电源中所产生的反向电动势e »170V 。计算脉冲信号最大占空比的公式为D max =ee +Udc m in170170+230×100%公式2即D max =&#

10、215;100%=42.5%（3）计算一次绕组的电感量L1在每次开关管导通期间，加在变压器一次绕组的电压是恒定的，其电流线性上升，斜率为di /dt =(UI -1 /L 1, 其中L1是初级电感。在导通结束之后，初级线圈电流上升达到Ip =(UI -1 Ton /L 1, 此时变压器存储在初级的能量为L 1(Ip 2U 2dc ×D (Udc -1 2T 2on U 2dc ×D 2E =»2f L 12f L 1公式3那么在一个周期（秒）内传输的能量即为输入功率，其值为P =(Vdc -1 Ton 22TL 1»(Vdc ×Ton 2f2L

11、 1=P 0h公式4进而推导出高频变压器一次绕组的电感量L1最小值计算方程L 1=h(Udc min ×D max 22P 0f 公式5将=85%,U Im in =230V , D max =42.5%，f=39KHZ一并带入上式得到0.85(230´0.425 2L 1=1.08(mH 2´96´39´10设满载时的峰值电流为Ip ，在进行短路保护时的过载电流为IsIp =2P 0=2´960.85´230´0.425=2.31A hU Im in ×D max 公式6公式7Is =1.3Ip =3A

12、 （4）确定一次绕组匝数N1可由下式确定N1，R 值设定为0.5，磁铁密度Bpk 怎么变化都不会超过0.3T 。N 1=(1+2R ´U Im in ´D max2´Bpk ´Ae ´f 公式8我们查得数据可知，EER40高频变压器磁心有效面积Ae =1.49cm 2，带入数据得到N 1=(1+20.5´230´0.425=140匝2´0.3´1.49´10´39´10（5）确定自馈绕组N2和二次绕组N3的匝数一旦一次绕组确定之后，利用下式即可计算N2，N3的匝数N =N 1

13、(U 0+Uf (1-D maxU Im in ×D max 公式9式中，U0为一次绕组N2（N3）两端的电压；Uf 为输出整流二极管的正向压降。自馈绕组N2回路中的整流管D8采用BVY26E 型快速恢复二极管，其中Uf=0.44V。绕组两端的有效值电压为20V 时，经整流滤波后可获得大约16V 的直流电源，向UC3844供电，不难算出N 2=140´(20+0.44(1-0.425230´0.425=16.8匝实取17匝。二次绕组N3回路中选用肖特基二极管DSEP30-06A ，Uf »0.4V ，U0=24V。深圳市伟创电气有限公司 N3 = 140

14、 ´ (24 + 0.4(1 - 0.425 230 ´ 0.425 = 20 匝 （6）计算空气气隙 d 为防止高频变压器发生磁饱和现象而损坏开关功率管，需要在 EER40 型磁心的两个 侧面各留出一定的空气气隙 d 。假如磁场集中于气隙处而未向外部泄露，则 0.04p N1Is d= B 这里 B 取 250mT，把 N1=140， Is =3A 代入可得 公式 10 d = 0.21cm = 2.1mm 每边可留出 0.4mm 的气隙。 （7）开关功率管的选择 本电路的开关功率管采用 MOS 管，MOS 管具有输入阻抗高、开关速度快、通态电阻 小、高耐压、成本低廉等优

15、点，是一种极有发展前途的新型 MOS 功率器件。由于单端反 激式开关电源中所产生的反向电动势 e »170V ，绕组漏感造成的尖峰电压 Ul »100V ，那么 U Im ax + e + Ul » 650V ，因此开关功率管应能承受 650V 以上的高压。另外，考虑到 MOS 管的损耗分为开关损耗和导通损耗， 开关损耗与开关频率有关， 导通损耗与 MOS 管导通 电阻 Rds 有关，因此在选择开关管的时候，为了减少其导通损耗，通常选择导通电阻小的 MOS 管。这里采用日本东芝公司生产的型号为 2SK2611 的 MOS 管，其漏源间能承受最 高电压 900V，远

16、大于我们计算的 630V，最大漏极电流 9A，最大漏极耗散功率 150W， 导 通电阻 Rds = 1.2W ，完全能满足要求，但是在使用过程中必须加合适的散热器，并在接触器 面上涂上一层导热的硅脂。 （8）漏极钳位保护电路设计 漏极钳位保护电路主要有 4 种设计方案，如下图 4 所示。 图 4 -4 种无源漏极钳位保护电路 （1）是利用瞬态电压抑制 TVS 和阻塞二极管组成的 TVS、VD 型钳位电路，如图 4 （a）所示。 深圳市伟创电气有限公司 （2）是利用阻容吸收元件和阻塞二极管组成的 R、C、VD 型钳位电路，如图 4（b） 所示。 （3）由阻容吸收元件、TVS 和阻塞二极管组成的

17、R、C、TVS、VD 型钳位电路，如 图 4（c）所示。 （4）是由稳压管（ VDz ） 、阻容吸收元件和阻塞二极管组成的 VDz 、R、C、VD 型钳 位电路，如图 4(d 所示。 上述方案中以（c）的保护效果最佳，它能充分发挥 TVS 响应速度快、可承受瞬态高 能量脉冲之优点， 并且还增加了 RC 吸收回路。 本电路采用的开关管保护电路就是以上 （c） 方案。 （9）反馈电路设计 本电路反馈采用 TL431、HCPL181 线性光耦和放大器 TL072CDR 构成；TL431 的基 准 电 压 为 2.5V ， 调 节 R30 和 R31 的 比 值 可 以 产 生 一 个 大 小 为 U1 电 压 ， U 1 = (1 + R30 / R31 &#