一种新型的单端反激式开关电源的设计

1、文章编号100426410(2004022*一种新型的单端反激式开关电源的设计龚希宾,刘星桥,凌俊杰(江苏大学电气学院,江苏镇江212013摘要:阐述了一种采用U C 3842集成芯片实现的单端反激式开关电源。根据U C 3842的特性给出了该新型开关电源的具体设计步骤,并给出了详细的电路参数及高频变压器的设计方法。该开关稳压电源采用双闭环电流控制模式,其输入、输出电路采用光耦隔离。经测试表明按此方法设计的+24V 1.5A 的开关稳压电源可靠性高。关键词:单端反激式;高频变压器;光耦隔离中图分类号:TM 91文献标识码:A收稿日期:2004203202基金项目:江苏自然科学基金(BK 950

2、9504资助。作者简介:龚希宾(19742,女,湖南邵阳人,淮安信息职业技术学院教师。在读硕士生 。图1单端反激式变换器工作原理简图与原、副边电流波形示意图1前言近几年,随着电源技术的飞速发展,高效率的开关稳压电源已逐步替代了传统的线性调节稳压电源,并得到广泛的应用。目前,开关稳压电源正朝小型化、高频化方向发展。为此,本文提出一种小型频率为50KH z 的单端反激式开关电源。2单端反激式变换器的特点单端反激式变换器又称电感储能式变换器,图1为其工作原理简图与原边副边电流波形示意图。当高压开关管Q 1被PWM 脉冲激励而导通时,直流输入电压施加到高频变压器T 的原边绕组上,在变压器次级绕组上感应

3、出的电压使整流管D 1反向偏置而阻断,此时电源能量以磁能形式存储在电感中;当开关管Q 1截止时,原边绕组两端电压极性反向,副边绕组上的电压极性颠倒,使D 1导通,储存在变压器中的能量释放给负载1。单端反激式变换器通常采用加气隙来解决变压器磁心的磁复位问题,因而可增大电源的输出功率,减少变压器磁心损耗,进一步提高开关频率2。此外,这种工作方式能较好地消除来自电网的干扰,降低输出纹波。3UC 3842的功能介绍U C 3842是一种单端输出电流型控制器,其最大的优点就是外围元件极少,外电路装配简单,且成本低,适用于20W 100W 小功率开关电源。其第15卷第2期广西工学院学报V o l 115N

4、 o 122004年6月JOU RNAL O F GUAN GX IUN I V ER S IT Y O F T ECHNOLO GY June 12004 图2U C 3842的内部等效电路内部框图如图2所示。1脚为补偿端子,外接RC 网络可补偿误差放大器的频率响应;2脚是电压反馈端,取样电压加在误差放大器的反相输入端,与215V 的基准电压进行比较,产生误差电压;3脚为电流检测输入脚,外接过流检测电阻,可构成过流保护电路,当3脚电压等于或高于1V时,电流检测比较器输出高电平,复位PWM 锁存器,从而关闭输出脉冲;4脚外接定时电阻和电容,用以确定振荡器的工作频率f =1172C T R T

5、;6脚为输出端,采用图腾柱式输出,输出平均电流为200mA ,最大电流为1A ,能直接驱动双极型功率管或VM O S 管,控制器内部有5V 精密基准电压,其启动电压为16V ,关闭电压为10V 。6V 的启动与关闭差值可有效防止电路在门限值电压附近工作时产生振荡。4电源电路的工作原理图3是采用U C 3842为控制器的单端反激式开关稳压电源的电路图。其基本工作原理:电网电压经整流滤波得到约300V 的直流电压,功率M O SFET 管在U C 3842输出脉冲的作用下交替导通和关断,使变压器次级得到一交流电压,该电压再经整流滤波后可获得稳定直流电压V ou t.图3开关稳压电源电路图因U C

6、3842具有启动电流低的优点,因此刚上电时,可由一次整流高压经R 7降压后给其提供+16V 的启动电压。当进入正常运行状态后,其正常的工作电压由馈电线圈N 3上的高频电压经D 6、R 5、C 7整流滤波后提供。R T 为热敏电阻,用于限制上电时的冲击电流;C 4为滤波电容;R 2、C 18、D 5构成了吸收回路,用于吸收15第2期龚希宾等:一种新型的单端反激式开关电源的设计尖锋电压;C3是消噪电容,选用0.1F的瓷介电容;R4为Q1管栅极上的限流电阻;R9和C11并联构成补偿网络;C5、R8决定了开关管的工作频率;C20、R15构成阻容吸收电路,起到保护D1的作用。该电路采用双闭环控制,其中的

7、电流反馈回路由电流取样电阻R1和R6、C8滤波电路(用于滤Q1两端的电流尖峰,避免管子误动作构成,当R1两端的取样电压U s等于或高于1V时,U C3842输出脉冲中断,从而实现限流保护。稳压反馈环节由R10、光耦合器、TL431等组成。其稳压原理:若输出电压因负载变轻而升高时,流过光耦合器的发光二极管电流增大,其发光强度增加,反馈至光耦合三极管使CE间电阻变小,使加至1脚的电压升高,从而使6脚的PWM信号宽度变窄,从而达到稳压的目的。5电路的设计下面以交流输入电压为(220±10%V,输出为+24V 115A,效率=70%,设占空比D=0125,周期T=20s的开关电源为例,说明电

8、路的设计方法。511高频变压器的设计单端反激式开关电源中变压器既是作变压器,又是作储能电感,它的设计方法与其他类型的变压器不同。其设计参数主要有三项3:求出原边绕组电感量;选择规格,尺寸合适的高频变压器磁芯;计算原副边绕组匝数。变压器选用铁氧体R2KB磁芯,截面积A e=7315mm2,取B=0115T.51111原边电感量L p及变压器间隙g原边电感量L p=V m(D Ci pt on(1将已知量代入式(1得L p=111m H。式中输入电流i p可按下式计算:i p=2P O TV in(D Ct on=2P OV in(D CD(2已知=70%,D=0125,T=20s,V in(D

9、C=312V,P O=(V O+V DI O=(24+1×115=3715W,代入式(2得i p=1.4A.变压器间隙g=4A e N 2 pL p×10-8=1169mm 51112原副边绕组的匝数原边绕组匝数可按下式计算:N p=V in(D Ct onBA e×104(3代入已知量得N p=14115匝,实取142匝。原边绕组匝数N2=L1L pN p=1911匝,取20匝。式中L1为滤波电感L1的电感量:L1=V O+V F4I Ot of f=24+14×115×20×0175×10-6=20H.取U C3842的

10、工作电压为15V,则反馈绕组N3=15+124+1×N2=1218,取13匝,式中的1V为整流管的导通压降。51113变压器的绕制要求为了减小变压器的高频损耗,初次级选用直径小多股线胶合成一股绕制,一方面这样的导线柔软,另一方面可以减小趋肤效应引起的损耗。绕线时,把初级绕组N p分里、外两层绕制,中间层绕输出绕组N2和馈电绕组N3:先绕N1 2=71匝,加三层绝缘胶带,然后绕20匝输出绕组和13匝反馈绕组,其间加3层绝缘胶带,再将剩下的71匝初级绕组绕完,然后再用绝缘胶带包扎。512电流检测电阻R1的选择由于U C3842电流检测比较器反相输入端在内部被限制为1V,当3脚电压达到该限

11、制值时,就会产生电流限制。其公式如下:i M A X=1R125广西工学院学报2004年6月若变压器原边电流按I 1=I 2K =39=013A 计算,则R 1应小于38,实取18。513功率器件的选择功率管选用I R 公司型号为I R 2F I BC 40G 的M O SFET 管,D 5D 6选用E I C 公司的FR 104快恢复二极管;桥式整流二极管选用的型号为I N 4007。6测试结果及分析根据上述设计原则,使用U C 3842芯片制成了+24V 115A 的单端反激式开关电源,并对它进行了测试。图4和图5给出了额定负载时变压器副边电压U 副和流过Q 1的电流I Q 的实测波形。波

12、形中出现的尖峰已在电路的相关地方很好地加以了抑制 。图4变压器副边电压U 副图5流过Q 1的电流I Q 波形7结束语单端反激式变换器的设计原则必须遵守高频变压器铁芯的磁通工作应能“复位”。经测试表明,该开关电源性能稳定,可靠性高,抗干扰能力强。参考文献1刘胜利1现代高频软开关电源应用技术M 1北京:电子工业出版社,200112薛永毅,王淑英,何希才1新型电源应用实例M 1北京:电子工业出版社,200113张占松1高频开关稳压电源M 1广州:广东科技出版社,19931The design of a new type of sw itch i ng powersupply w ith si ngl

13、e -ended f lybackGON G X i 2b in ,L I U X ing 2qiao ,L I N G Jun 2jie(Co llege of E lectrizati on ,J iangsu U n iversity ,Zhen jiang 212013,Ch ina Abstract :A s w itch ing pow er supp ly w ith single 2ended flyback is in troduced ,in w h ich an in tegrated ch i p nam ed U C 3842is u sed .B ased on t

14、he featu res of the ch i p ,the p ap er p rovides the concrete design ing step s of the new typ e of s w itch ing pow er supp ly .D etailed p aram eters of the circu it ,and the design m ethod of the h igh 2frequency tran sfo rm er are given .T he m ode of doub le clo sed -loop con tro l is adop ted in the s w itch ing pow er supp ly ,its inp u t and ou tp u t circu its app ly the op tical coup ler iso lati on .A cco rding to the test