基于UC3842反激式开关电源的设计

1、中图分类号:TP-216 文献标识码:B基于 UC3842反激式开关电源的设计成都信息工程学院 成都 610225詹艳军 杨笔锋 涂永生ChengDu University of Information Technology ChengDu 610225Zhan Yanjun, Yang Bifeng, Tu Yongsheng摘要: 随着电力电子技术的飞速发展,电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切, 而电子设备都离不开可靠的电源。进入 80年代计算机电源全面实现了开关电源化,率先完 成计算机的电源换代, 开关电源是利用现代电力电子技术, 控制开关晶体管开通和关断的时 间比率,维持稳定

2、输出电压的一种电源,一般由 PWM(脉冲宽度调制控制 IC 和 MOSFET 构 成。 本文利用开关电源芯片 UC3842设计制作一款新颖的单端反激式、 宽电压输入范围、 12V8A 固定电压输出的 96W 开关稳压电源,适用于需要较大电流的直流场合 (如对汽车电瓶充电 。 关键词:开关电源;反激变换;RCD 箝位;UC3842Instead stirs up -like the switching power supply design based on UC3842 Abstract : Along with the electric power electronic technology

3、 rapid development, the electric power electronic installation and people's work, the life relations are day by day close, but the electronic installation cannot leave the reliable power source. Entered the 80's computer power source to realize the switching power supply comprehensively, too

4、k the lead to complete the computer the power source update.The switching power supply is uses the modern electric power electronic technology, controlling switch transistor clear and the shutdown time ratio, the maintenance stable output voltage one kind of power source, generally (pulse width modu

5、lation controls IC and the MOSFET constitution by PWM. This article uses the switching power supply chip UC3842 design to manufacture a section novel single end instead to stir up -like, the width voltage input scope, 12V8A the fixed voltage output 96W switch voltage-stabilized source, is suitable i

6、n needs the big electric current the direct-current situation (for example to automobile storage battery charge.Keywords :switching power supply; Instead stirs up the transformation; RCD clamp; uc3842引言:1955年美国罗耶 (GH.Roger 发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器, 是实现 高频转换控制电路的开端,1957年美国查赛(Jen Sen发明了自激式推挽双变压器,1964年美国科

7、学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想, 这对电源向体积和重量的下降 获得了一条根本的途径。 到了1969年由于大功率硅晶体管的耐压提高, 二极管反向恢复时间 的缩短等元器件改善,终于做成了25KHz的开关电源。进入90年代开关电源相继进入各种电 子、电器设备领域,程控交换机、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, 更促进了开关电源技术的迅速发展。 随着电力电子技术的发展和创新, 使得 开关电源技术在不断地创新, 这一成本反转点日益向低输出电力端移动, 这为开关电源提供 了广泛的发展空间。 开关电源高频化是其发展的方向, 高频化使开关电源小型化, 并使开关 电

8、源进入更广泛的应用领域, 特别是在高新技术领域的应用, 推动了高新技术产品的小型化、 轻便化。1、系统框图实现本设计的系统框图如图 1所示:其中的 PWM 芯片是设计中的核心元件, 本设计采用 UC3842作为 PWM 产生和控制器件。同时开关变压器的设计以及主电路的元件参数也是决定设计成败的关键。 图 1. 系统框图2、由 UC3842构成的单端反激式开关电源2.1 uc3842的性能:UC3842 是一种高性能的固定频率电流型控制器, 是专为离线式直流变换电路设计的, 它集成了振荡器、有温度补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、图腾柱输出电路、输 入和基准欠电压锁定电路及 PWM 锁存器

9、电路。 该芯片主要有以下性能:(1 可调整振荡器的 放电电流以产生精确的占空比;(2 最高开关频率可达 500kHz;f=1.8/(Rt.Ct Rt单位为 K ,Ct单位为 UF,f 单位为 KHz。(3 带锁定的 PWM ( Pulse Width Modulation ,可以实现 逐个脉冲的电流限制;(4 具有内部可调整的参考电源, 可以进行欠压锁定;(5 图腾柱输 出电路能够提供大电流输出, 输出电流可达 1A , 可直接对 MOSFET 进行驱动;(6 带滞环的 欠压锁定电路可有效地防止电路在阈值电压附近工作时的振荡等。2.2 硬件电路图: 图 2. 由 UC3842构成的开关稳压电源

10、电路图系统工作原理:220V 的交流输入电压经保险管和 EMI 滤波器 (滤除电网上的高频电压成 分同时防止开关稳压电源自身产生的高频串入电网后整流并滤波平滑后为电路提供约 300V 直流工作电压, 起动电路由电容 C12 和 R18,R19 构成, C12 经电阻 R 18,R19充电, C12 的电压达到 16V 时,UC3842启动并有输出, 使 MOS 开关 Q(型号 2SK725 耐压 500V, 电流 15A,功率 125W 导通, 能量存贮在变压器 T 1中。 此时,由于二次侧各路整流二极管反向偏置, 故能量不能传到 T 1 的二次侧, T 1 的一次侧电流通过电阻 R22检测并

11、与 UC3842内部提供 的 1V 基准电压进行比较, 当达到这一电平时,Q 关断, 所有变压器的绕组极性反向, 输出 整流二极管正向偏置, 存贮在 T 1 中的能量传输到输出电容器中。 启动结束后, 反馈线圈 N c 的电压整流后经取样电阻分压回送到误差放大器的反向端(脚 2 和 UC3842 内部的 2.5V 基准电压作比较来调整驱动脉冲宽度, 从而改变输出电压以实现对输出的控制。 这样, 能量 周而复始地存贮释放, 给输出端提供电压。 C12 在刚开始时必须存贮足够的能量才能维持控 制系统工作。3、电路主要参数的设计3.1 开关稳压电源中 RCD 箝位参数计算3.1.1 RCD 箝位电路

12、的结构及工作原理在反激式变换器中,箝位电路采用RCD形式具有结构简单,成本低廉等优点,下文论述该种电路的设计方法。图为RCD 箝位电路在反激式变换器中的应用。 图3 RCD吸收电路结构图3中:Vclamp: 箝位电容两端间的电压;Vin:输入电压;VD:开关管漏极电压; Lp:初级绕组的电感量; Llk:初级绕组的漏感量。 该图中RCD箝位电路的工作原理是:当开关管 导通时,能量存储在Lp和Llk 中,当反激式变换器中RCD箝位电路的开关管关闭时,Lp中的 能量将转移到副边输出,但漏感Llk 中的能量将不会传递到副边。 如果没有RCD箝位电路, Llk 中的能量将会在开关管关断瞬间转移到开关管

13、的漏源极间电容和电路中的其它杂散电容中, 此时开关管的漏极将会承受较高的开关应力。 若加上RCD 箝位电路, Llk 中的大部分能量将 在开关管关断瞬间转移到箝位电路的箝位电容上, 然后这部分能量被箝位电阻Rc消耗。 这样 就大大咸少了开关管的电压应力。3.1.2 RCD 箝位电路的设计在RCD 箝位电路中电阻Rc和电容Cc的取值都比较大, 因此, 箝位电容Cc上的电压在每个 开关周期不会有较大的变化, 这样, 可以用一个恒定值Vclamp 来表示箝位电容两端的电源。 在此基础上可以按以下几个步骤来设计RCD箝位电路。步骤一:确定箝位电压Vclamp箝位电压Vclamp 与开关管的VBR(DS

14、S 及输入最高电压有关,如果考虑0.9的降额使用 系数,可用下式来确定Vclamp 的大小:INMAX DSS BR CLAMP V V V = (9. 0 (3.1式中:VOR:次级到初级的折射电压;Vclamp :箝位电容Cc两端的箝位电压;VBR(DSS :开关管的漏源极击穿电压;VINMAX :最大输入直流电压步骤二:确定初级绕组的漏感量Llk初级绕组的漏感量可以通过测试来获得, 常用方法是, 短路各个次级绕组测试此时的初 级绕组的感量, 这个值就是初级绕组的漏感量。 需要注意的是, 测试频率应采用变换器的工 作频率。步骤三:确定箝位电阻Rc 箝位电容Cc两端的电压可用恒定值Vclam

15、p表示,因此箝位电阻消耗的功率为:Rc V P clamp clamp R 2= (3.2 式中:PR-clamp:箝位电阻消耗的功率另一方面从能量守恒原则考虑,存在以下关系:VoR Vclamp V W W W OR l l clamp R += (3.3式中:WR-clamp:箝位电阻消耗的能量;Wl:初级绕组漏感中存储的能量;VOR:次级到初 级的折射电压;Vclamp:箝位电压;将能量转换为平均功率则(3.2式可变为:1. (212vRo Vclamp V I L f P RO peak ds lk s clamp R += (3.4 式中:fs:变换器的工作频率;Llk:初级绕组的漏

16、感量;Ids-peak:开关管的最大峰值 电流(即低压满载时的峰值电流;这样由(3.2、(3.4式就可得到箝位电阻的计算公式:s peak ds lk f I I VclampVor Vclamp Rc . .(. (22= (3.5步骤四:确定箝位电容Cc箝位电容C的值应取得足够大以保证其在吸收漏感能量时自身的脉动电压足够小,通常 取这(c 个脉动电压为箝位电压的5%-10%, 这样,就可通过下式来确定Cc的最小值。sc f VclampR Vclamp Cc . > (3.6 式中:Cc:箝位电容;Vclamp:箝位电压;Vclamp:箝位电容上的脉动电压 Rc :箝位电阻; fs

17、:变换器的工作频率。3.2 开关变压器及主电路参数计算 变压器是整个电源供应器的重要部分, 所以变压器的计算及验证是很重要的, 以下即就 本设计中采用的 EI40变压器做介绍。决定变压器的材质及尺寸,依据变压器计算公式:Gauss x NpxAeLpxIp B 100(max= (3.7 B(max = 铁心饱合的磁通密度(Gauss;Lp = 一次侧电感值(uH;Ip = 一次侧峰值电 流(A; Np = 一次侧(主线圈圈数;Ae = 铁心截面积(cm2;4、测试结果Pin(w Iin(A Iout(AVout(V Ripple(mVPout(w eff 90V 135.8 3.0 8.0

18、12.0 32 96. 70.7 115V 127.2 2.2 8.0 12.0 28 96 75.5 132V 125.8 1.9 8.0 12.0 29 96 76.3 180V 125.2 1.4 8.0 12.0 30 96 76.7 230V 124.5 1.1 8.0 12.0 29 96 77.1 260V 124.4 1.0 8.0 12.0 29 96 77.2 5、结束语本文作者的创新点在于开关电源硬件简洁, 在保证基本精度要求的前提下, 着重考虑成 本及使用的安全可靠, 满足了实际工作现场成本低易于推广的要求, 非常适合中、 大功率开 关电源的推广应用,具有较好的推广应用价值。6、参考文献:1 刘胜利.现代高频开关电源实用技术M.电子工业出版社 2001.92 GEORGE C.CHRYSS