—470V开关电源电路设计

马怀宇

摘要：在电子技术飞速发展的今天，许多电子系统的设计，如液晶屏供电系统，大功率快速转换开关系统，绝缘测试系统等都用到高电压电源，使得高电压电源的设计变得越来越重要，该文介绍了一种以PWM转换芯片UC3842为核心，采用反激式拓扑结构的输出电压高达-470V的开关电源电路设计，该设计具有输出功率高，转换效率高的特点。

关键词：UC3842；反激式拓扑结构；-470V；开关电源

中图分类号：TP303 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）24-0160-03

-470V Switching Power Supply Circuit Design

MA Huai-yu

（Ocean Univercity of China， Qingdao 266107， China）

Abstract：In the rapid development of electronic technology today， many design of electronic systems， such as LCD power supply system， high-power fast transfer switch systems， insulation test system uses high-voltage power supply and so on， so that the high voltage power supply design is becoming increasingly important this paper introduces a kind of PWM converter chip UC3842 as the core， the output voltage flyback topology switching power supply up to -470V circuit design， the design has a high output power， high conversion efficiency.

Key words：UC3842； flyback topology； -470V； switching power supply

1 概述

随着科学技术的飞速发展，高电压电源在日常的生产、生活中应用越来越广泛，它尤其在液晶屏供电，大功率快速转换开关供电，绝缘测试等领域中应用更为广泛，本产品是将220V交流市电利用PWM转换芯片UC3842，采用反激式拓扑结构设计，转换为高性能的-470V，200mA的高压电源，具有高电压，大电流的特点，能较好地满足系统要求。

2 工作原理

-470V电源电路图如图1所示：

2.1 总体思路

根据设计要求分析，电源的输出功率Po=Vo×Io=500×0.2=100W，假设该电源效率80%，则变换器输出功率=100/0.8=125W，则本电源可采用隔离式反激型变换器电路结构进行设计，本电源拟采用的PWM控制器为美国TI公司的UC3842，它属于电流峰值模式控制PWM，采用IGBT管FGA25N120作为开关管进行工作，采用外购的变压器进行升压及电路调整用。

2.2 电路分析

2.2.1 UC3842及其外围电路

UC3842是一种单端输出控制电路芯片，采用峰值电流模式控制。其最大的优点为：外接元件少，接线简单，可靠性高，成本低，UC3842内部方框图如图2所示。

由图可见，其引脚有8个，但一样可以使得内部E/A误差放大器构成闭环，利用电流测定，电流测定比较器构成电流闭环。端口8为内部供外用的基准电压5V，带载能力50mA；端口7为集成块工作电源Vcc，电压范围为8V-40V，启动电压阈值为16V，关闭阈值为10V，6V的启动与关闭差值可有效地防止电路再阈值电压附近工作时产生振荡，其内部连接有34V稳压管有效防止高压造成的损失，端口6为推挽输出端，具有拉、灌电流的能力，输出平均电流为200mA，最大电流为1A；端口5为地，端口4为振荡器工作频率控制端，工作频率最高可达500kHz，端口3为电流敏感和限制电路接口，可采用回路接电阻将电流取样送至3端，当3端电压高于1V时，电流敏感比较器输出高电平，将PWM锁存器复位，使输出关闭。若故障消失，下一个时钟周期将PWM锁存器自动置位。端口2为误差放大器的反向输出，通过连接变压器的调整端，通过调整输出端电流的占空比，调整输出电压。端口1为误差放大器输出，用于环路补偿。参考图一及上面所述可得，UC3842外围电路的主要作用是：R1，D4，C5，C6组成UC3842的供电电路，R3，R4，D4，C5，C6组成电压调整反馈电路，用于输出电压调整。R5， R3，R4，D4，C5，C6，C7组成环路补偿电路；R6，R7，D6组成输出驱动电路，将输出驱动电流转化为驱动电压，驱动开关管工作，C10为标准电压源的去耦电容，C11，R9为定时元件，决定UC3842的振荡频率，R10，R11， C12构成峰值电流检测电流，当检测值超过规定电流值后，输出关闭。

2.2.2 FGA25N120及其外围电路分析

电源采用IGBT管FGA25N120作为开关管，IGBT管是MOSFET与GTR（大功率晶体管）复合而成，具有MOSFET的电压型驱动，驱动功率小的特点，同时具有GTR饱和压降低和可耐高压和大电流等一系列应用上的优点，本电源中使用的FGA25N120其特性参数为：Ic=50A，Vceo=2V，td（on）=50nS，td（off）=190 []nS，tr=90nS，tf=180nS，可以满足本电源的参数要求。其外围电路R2，D3，C3构成充放电型RC-D缓冲电路；R8，D5，C9构成的放电阻止型RC-D缓冲电路。

2.2.3 变压器及其外围电路

变压器采用外购件，为三端变压器，即输入端，输出端及反馈调整端，其外围电路C1，F1构成交流保护电路，D1，L1，C2构成全波整流电路，R12，R13，D2，C4，C8构成反激式整流电路。

2.2.4 电路参数确定

2.2.4.1 主电路参数确定

由于本电源采用反激式结构设计，由于反激式电路工作于电流连续模式时，其磁芯的利用率会显著下降，因此在实际使用中，通常避免该电路工作于电流连续工作模式，根据反激型电路的电流连续临界条件为：

[LRTs]≥[][（1-DMAX）22] （1）

式中R为电源负载，R=[VoIo]=[4700.2]=2.35kΩ

Ts为振荡周期，设本电源工作频率为80kHz，则Ts=0.0125mS；

DMAX为最大占空比，假设最大占空比为40%；

则可以得出变压器输出侧电感量为L≥5.4mH

输出端检波二极管采用1N4007，其正向通过电流可达1A，反向耐压为1KV。满足设计要求；由于耐压原因，现采用C4与C13两只100uF/400V电容进行串联工作，等效为50uF/800V电容工作，因τ=RC=0.12mS远远大于TS=0.0125mS，满足设计要求，R12，R13为均压电阻，阻值=[10.015C]=680kΩ。

开关管采用FGA25N120，计算平均输入电流：

[][]Is=[PVs]=[125286]=0.44A （2）

相应的原边峰值电流：

Ipeak=[IsTsTon]=0.44×2.5=1.1A （3）

最大直流输入电压为：

VINMAX=[2]×220=310V （4）

则箝位电压为

VCLAMP=0.9VBR（DSS）-VINMAX=1080-310=670V （5）

最小直流输入电压为：

VINMIN=1.1×220=232V （6）

则次级反射电压为：

Vor=[（ VINMIN-Vds）×DMAX1-Dmax]=153V （7）

则由R2、C3、D3组成的充放电型RC-D缓冲器参数可求得

得箝位电阻为：

R2=[2（VCLAMP-Vor）VCLAMPLlkIpeak2fs]=[2×（670-153）6701.8×10-3*0.05×（1.1）2×80×103]=80kΩ （8）

箝位电容为：

C3≥[VCLAMPΔCCLAMPR2fs]=[670670×2%×43×103×80×103]=15nF （9）

其中[ΔCCLAMP]为[VCLAMP]的浮动值，一般为[VCLAMP]的2%-10%之间，现取最小值2%[VCLAMP]。则C3取值为15nF。D3为快速恢复二极管FR107。

另C9、R8、D5组成放电阻止型RC-D电路，取值为C9=820pF，R8=2.4kΩ，D5为快速恢复二极管FR107。

2.2.4.2 控制电路参数确定

控制电路以UC3842为核心器件进行设计，根据器件特性，取去耦电容C10为0.1uF。误差放大器反馈电阻R5的取值为：

R5≥[1.0V+1.4V0.5mA]=4.8kΩ

则取R5为10kΩ反馈电容C7起高频反馈及防止振荡的作用，取值为0.01uF。在自启动电路中，取电阻R1为120kΩ，取自启动滤波电容C5为0.1uF，C6为100Uf/50V；设辅助线圈输出电压为13V左右，电阻R3、R4为启动电路及电压反馈电路共用的外围器件，设自启动电压范围为16V-40V，送入2脚的电压为2.5V左右，则R3、R4取值为：

[VINMIN16]≤[120+R3+R4R3+R4]≤[VINMAX40] （10）

[R4R4+R3=2.513] （11）

可以得出：R3=14.4kΩ；R4=3.6kΩ

R9、C11为定时电阻RT、CT及电容，根据UC3842资料可得，在反激式结构中，死区时间应尽量小，应采用大定时电阻，小定时电容的方式，R9≥5kΩ，在此设计中取R9=10kΩ，又由下面公式：

fs=[1.8RTCT] （12）

可得定时电容C11为2200pF。

R10、R11、C12组成电流取样电路，根据式3可得，峰值电流为1.1A，留有余量后，设保护门限电流值为2A，可得门限电阻R11为：

RTH=[VTHITH]=[12]=0.5Ω （13）

R10与C12为滤波去干扰电路，防止开关电源误关断，现设R10为1kΩ，C12为470pF，根据实际电路还需调整具体取值。

R6、R7、D6组成UC3842的驱动电路，其中R6、R7为栅极限流电路，同时R6与15V稳压管D6组成栅极保护电路，取R6为30Ω，R7为3kΩ。

2.2.4.3 变压器参数确定

变压器匝数比为NP：NS：NL=Vor：Vo：VL=153：470：13≈12：36：1

其中，NP为原边匝数，NS为输出端匝数，NL为调整端匝数，同时根据式1得出NS≥5.4mH，则要求NP≥1.8mH，NL≥0.15mH。

3 性能测试

本电路设计成功后，对各个电路中的关键节点进行了测试验证，UC3842的4脚即频率控制端的波形如图3所示：

从上边各点的测试情况分析，本电路满足系统要求。

4 结束语

本文给出了一种由UC3842为PWM控制器，由IGBT管FGA25N120作为开关管，采用反激式拓扑结构设计的输出电压达到-470V，功率为100W的开关电源的设计方法，并通过分析推导得出了电路中各元器件的详细参数。经过实际电路搭建进行验证后，发现该电路是切实可行的，可广泛应用于需输出负高电压，中小功率的电源系统中。

参考文献：

[1] UC3842 Data Sheet[Z]. Fairchild Semiconductor Corporation. 2002.

[2] FGA25N120 Data Sheet[Z]. Fairchild Semiconductor Corporation. 2002.

[3] Abraham I. Pressman， Keith Billings， Taylor Morey. 开关电源设计[M]. 王志强， 肖文勋， 虞龙，等，译.北京： 电子工业出版社. 2013， 11.