一种基于UC3843的实用性反激电源设计

2017-04-20

电气开关 2017年5期

(福建职业技术学院，福建　泉州　362000)

1　引言

开关电源以节省材料、重量轻、稳压范围广、效率高、性价比高等特点，获得广泛应用[1-2]。电流型PWM技术能对负载和输出电压进行准确地调整，尤其在限流能力和并联均流能力更是有很大的突破[3-6]，在中小功率开关电源得到了推广，Unitrode公司研究出UC3843系列电流型PWM集成芯片是开关电源的专用芯片。

2　反激电源基本原理

由于反激拓扑结构简单，设计成本低，可靠性高，在中小输出功率场合应用频繁，图1是反激变换器原理图。其工作过程是当开关管开通时,变压器原边绕组上出现电流,并将能量储存于原边电感中。由于原边绕组与副边绕组极性相反,此时整流二极管D处于反向截止状态,能量无法传送到负载，负载上的电流由输出滤波电容提供。当开关管关断时,变压器原边绕组产生反向电势,此时整流二极管D处于正向导通状态，储存于变压器的能量向输出滤波电容及负载释放。

图1　反激变换器原理图

反激拓扑主要有三种基本工作模式：连续工作模式、临界工作模式、断续工作模式。

3　电源设计指标

电源设计为断续工作模式，电气指标如下：

输入电压：85～264Vac

输入频率：47～63Hz

输入电流：<3.6A

功率因数：PF=0.8

输出功率：30W

输出电压：Vo=12V

效率：η=0.8

工作频率：fs=80×103Hz

电压调整率：5%(11.4～12.6V)

总输出电流： Io=2.5A

纹波电压：<120mV

电压上升时间：<25ms

电压下降时间：<25ms

4　反激电源结构框图与电路

反激电源结构框图如图2所示，所设计的电路如图3所示。电路整体由一个高频变压器隔离为一次侧与二次侧；一次侧由EMI滤波，整流电路及电容滤波，RCD吸收电路，功率开关管,相关的辅助电路(启动电

路，欠压保护电路，芯片的供电电路等)组成；二次侧由整流管，输出滤波电路组成；反馈网络主要有TL431与光耦组成误差放大系统，还有PWM控制芯片。负反馈网络主要用于减小系统的静差，使之成为一个稳态性能好，动态响应快，抗干扰能力强的系统。

图2　反激变换器整体线路框图

图3　反激电源电路

5　电路关键参数设计

5.1　主功率电路[7]

(1) 高频变压器匝数比

设开关管工作时的最大占空比为Dmax=0.5，开关周期为T，一个周期内的最大导通时间为Tonmax=Dmax×T，死区时间Td=0.1×T，输出整流二极管正向导通压降Vf=0.7V，根据伏秒平衡得

(1)

n=11.832

(2)计算变压器的初级侧励磁电感Lp：

变压器初级侧的峰值电流Ipmax

(2)

Ipmax=1.248A

(3)

Lp=6.021×10-4H。

为了防止磁芯饱和，给予一定的余量后，Lp取值应比计算值要大一些，取650μH。

(3)磁芯的选择

取窗口填充系数Ko=0.2，磁芯填充系数Kc=1，最大磁通密度Bmax=0.16G，电流密度J=4×106A/m2

磁芯面积乘积AP由式(4)求得

(4)

AP=1.831×10-9m4

选择TDK公司的磁芯，形状为PQ2620,材质为PC44,可以满足设计要求，其主要参数为磁芯窗口截面积Aw=60.4mm2，磁芯有效截面积Ae=119mm2

(4)计算变压器气隙长度Lg：

(5)

经单位换算后得Lg=3.988×10-4m。

(5)计算变压器初级侧匝数Np1：

(6)

经单位换算后取整得初级线圈Np1=40T。同时求得次级输出匝数取整得Ns=4T

(6)计算偏置输出匝数：

设偏置输出匝数为Np2，此路输出电压设定为Vo1=12V,芯片供电反馈次级整流二极管的正向导通压降是Vf2=0.7V。

(7)

计算偏置输出匝数得Np2=4T。

5.2　控制电路的设计[8]

控制电路主要是根据控制芯片UC3843对启动电路、反馈电路、保护电路进行设计。UC3843内部结构框图如图4所示。

图4　UC3843内部框图

5.2.1启动电路的设计

当电源开机时，通过启动电阻给芯片Vcc端的电容充电，直到Vcc端的电压达到了芯片的启动电压VTH_ON，芯片才被激活，从而驱动整个电源系统正常工作。本设计要求最大启动时间不超过3s。因从市电输入的电压经启动电阻Rst接到UC3843的第7脚，第7脚经滤波电容Cst接地，这样便可以对芯片充电。参数选择：UC3843启动电流约1mA,正常工作时供电电流约为30mA。启动电流1mA时使UC3843能正常启动，启动电阻Rst应符合：

(8)

计算启动电阻Rst≤111.708kΩ。启动电容的容值要在10μF以上，确保可以储存足够的能量，在电压未达到UC3843的低压限制之前，就把电源启动。取Rst=60kΩ,Cst=22μF。

5.2.2反馈电路的设计

图5为输出电压为12V的反馈控制电路，要保证电路可靠工作，需仔细计算选取电路参数。

图5　反馈电路

(1)R6计算

由于TL431参考输入端的电流一般为2μA左右，Vref=2.5V，为了防止此端电流影响分压比和避免噪音的影响，一般取流过电阻R6的电流为参考输入端的100倍以上，R6可由式(9)计算得到。

(9)

考虑待机功耗的要求，又R6希望大一些，R6取为10kΩ。

(2)R5计算

输出电压为12V，TL431的Vref=2.5V

(10)

R5取38kΩ。

(3)R3计算

由于TL431要求有不小于1mA的工作电流，假如光耦原边没有电流流过，并且光耦原边二极管的导通压降是Vf=1.2V。

(11)

同时考虑功耗，取R3为1kΩ。

(4)计算R1

R1的取值要保证芯片控制端取得所需的电流(假设最小电流1mA,并且PCB17A的CTR=0.8～1.6,取得低限0.8)。要求流过光二极管的最小电流。

(12)

得到IR1min=1.25×10-3A。设计TL431的阳极与阴极之间的电压差为2.5V，光耦原边二极管的压降1.2V。

(13)

R1的最大值得R1max=6.64×103Ω。光耦原边二极管能承受的最大电流在50mA左右，TL431为100mA，所以取得过R1的电流为50mA

(14)

R1的最小值得R1min=166Ω。要同时满足这两个条件，这里取R1为1K。

5.2.3保护电路的设计

芯片UC3843存在过压保护、过流保护、欠压保护。7脚上的Vcc一旦超出它的正常工作范围就使芯片停止工作，起到过压保护的作用。当电路上有出现过电流或者短路的情况时，电流取样电阻Rs的电压将增大，通过3脚反馈输入电流比较器的同相端，此电压大于1V使触发器复位，芯片6脚输出低电平，MOS管截止，起到限流保护的作用。芯片内部比较器的反向端电压恒定为5V，正端为变化的电压。当个这个电压不断下降小于5V时，比较器的输出则为0，从而起到欠压保护的功能。