单端反激式开关电源的设计

刘梦坷，唐海洋

（西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安 710048）

单端反激式开关电源的设计

刘梦坷，唐海洋

（西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安 710048）

本文采用高性能电流控制型脉宽调制芯片UC3844作为电源的核心控制部分，设计了一种交流输入为115 V、三路直流输出为+5 V/3 A、±12 V/0.5 A的单端反激式开关电源。通过具体的试验，分析了电路的工作原理以及UC3844在反激式电路中反馈的用法，应用脉宽调制和反馈得到了+5 V、±12 V三路稳定的输出。实验结果表明，该电源具有良好的性能。

开关电源；反激式；UC3844；变压器

开关电源是通过开关管开通和截止实现电压和电流变换的装置，利用高频变压器来调整电压的变化以及实现电网隔离。开关电源因体积小、重量轻、功耗小、效率高等优点使其广泛应用于工业自动化控制、军中设备，科研设备等领域[1]。

反激式开关电源电路简单能有效的提供多路直流输出，而且可以自动均衡各路输出负载，所以常被用于大功率高频开关电源的辅助电源或功率开关的驱动电源[2]。文中介绍了一种基于UC3844的单端反激式开关电源的原理及设计方法。

1 系统的整体设计及工作原理

文中以UC3844为核心，设计一款输入为AC115V（50 Hz），输出为DC 5 V/3 A、12 V/0.5 A、-12 V/0.5 A单端反激式开关电源。电源效率η达到70%，开关频率f达到40 kHz。输出功率P0=27 W。

本次设计主要包括整流滤波模块、功率变换模块和反馈模块。如图1所示交流电经过整流滤波得到脉动的直流电压，再经UC3844脉宽调制和高频变压器变换得到方波电压，最后经输出整流滤波得到直流电压，同时将反馈信号与UC3844内部的误差放大器输出的信号进行比较，从而调节占空比使输出电压保持稳定[3]。

图1 系统总体结构图

2 控制原理及参数的计算

电源电路采用了PWM控制模式，可以通过UC3844迅速调整脉冲占空比，从而在每一个周期内对前一个周期的输出电压和初级线圈充磁峰值电流进行有效调节，达到稳定输出电压的目的。这种设计动态响应快，外围电路简单，可以精准的快速的调节输出电压[4]。

主要功能模块包括：芯片的供电电路，整流电路，反馈电路，保护电路。下面对各个模块的原理和功能进行分析，芯片外围电路图如图2所示。其中3脚接电流检测电路，6脚为PWM输出脚。

图2 芯片外围电路图

2.1 芯片的供电电路

UC3844供电包括两个部分：启动阶段和正常工作阶段。启动阶段由R1和C6组成，直流电经限流电阻R1调节电压，并给C6充电至UC3844的门槛电压16 V后UC3844开始工作，启动时UC3844的工作电流小于 1 mA，正常工作时电流为 15 mA[5]。UC3844启动后的正常工作阶段，工作电压不能低于10 V，由反馈绕组整流滤波后给芯片供电[6]。电阻R1计算公式[7]

其中U为115 V交流电经整流滤波后得到的直流电压U=115*1.414=163 V，VI为UC3844的启动电压16 V，

为了正常启动，电容C6的容量应该足够大，取100 μF/50 V。

2.2 整流滤波电路

输入整流电路选择不可控全波整流桥，采用电解电容C1滤波，得到脉动直流电压[8]。在UC3844输出驱动脉冲的作用下，开关管交替导通与关断，变压器次级可得到交流电压，然后用二极管整流，滤波电感电容可消除高频噪音。经整流滤波之后，可获得的直流输出电压。C2、R2、D5等可以吸收尖峰电压保护变压器[9]。

2.3 反馈电路

如图3所示UC3844的脚1是内部输出放大器的输出端；脚2为电压反馈输入端，主要作用是将取样电压加到误差放大器的反相输入端，然后与同相输入端的基准电压2.5 V进行比较，产生误差电压；引脚1和引脚2之前有补偿网络，可以改善放大器的动态响应，从而提升开关电源的稳定性[10]。经实验调试测得C9=100 pF，R9=100 kΩ。

反馈绕组的电压整流滤波后经取样电阻R10、R11分压送到引脚2与UC3844内部的基准电压2.5 V作比较来调整驱动脉冲的占空比，从而改变改变输出电压以实现对输出的控制[11]。在开关电源设计中，取R11=18 kΩ，R10=2.7 kΩ。

图3 UC3844的内部结构图

2.4 保护电路

2.4.1 过流保护电路

UC3844引脚3为电流取样输入端，用于电流检测，由于某种原因使输出端短路产生过流，开关管漏极电流上升，R4两端的电压升高，UC3844的3脚的电压也升高，当其值超过1 V时，这将迫使电流比较器输出高电平，使PWM锁存器复位，关闭输出。此时UC3844的6脚无输出，开关管截止，从而保护了电路[12]。

2.4.2 开关管的保护电路

当功率开关关断时，由于漏感的影响，高频变压器的初级绕组上会产生反射电压和尖峰电压，这些电压会直接施加开关管的漏极上，不加保护极容易使功率开关管击穿[13]。因此将缓冲元件直接安装在功率开关管的漏极与地之间，当开关管关断时，形成的尖峰脉冲能量转移到C10中储存，储存的能量通过电阻消耗，起到了缓冲器受电压尖峰的作用[14]。

3 高频变压器的设计

本次设计的要求为电源效率η达到70%，开关频率f达到40 kHz。输出功率P0=27 W。

图4 开关管保护电路

1）脉冲信号最大占空比的计算

本次设计的开关电源输入交流电压范围是90~ 130 V，经整流滤波后的最大直流电压UMAX=183 V，最小直流电压UMIN=126 V，开关管源极与漏极之间的压降VDS=10 V，VOR为变压器次级反射到初级的反射电压取70 V，最大占空比为[15]

2）一次侧峰值电流

一次侧的电感量

3）选取铁芯

其中KU=0.3，BMAX=0.25，KJ=400 A/CM2。

查阅铁芯手册，选取 EC35型，其中[16]AE=0.89 cm2

4）一次侧绕组的匝数

取54匝；

反馈绕组的匝数

取13匝

其中U0为反馈绕组的电压取16 V，UF为输出整流管压降取0.7，

输出5 V端的匝数

取5匝

输出为±12 V端的匝数

取10匝

4 实验结果

根据以上的设计，设计出了一种基于UC3844的AC输入、DC输出的单端反激式开关电源。经实验验证该开关电源性能良好，输出结果稳定。图5为UC3844时钟信号波形图，图6为输出为12 V的电压波形图。

图5 时钟波形图

图6 输出电压波形图

5 结束语

本次设计以基于UC3844控制芯片的高频开关电源设计开发为目标，对反激式开关电源的控制方式、UC3844芯片以及外围电路的设计、高频变压器的设计、保护电路作了比较系统的分析。得出结论：该开关电源电压调节范围宽，动态响应快，稳定余量大，能很好的满足工作要求。

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Design of a single flyback switching power supply

LIU Meng-ke，TANG Hai-yang
（School of Electronic and Information，Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710048，China）

In this paper，a high-performance current-controlled pulse width modulation control chip UC3844 as a core part of the power of design a AC input 115 V，three-channel DC output is+5 V/3 A，single-ended±12 V/0.5 A switch flyback power supply.through specific tests，analyzes the working principle of the circuit and the use of UC3844 in flyback circuit feedback，the application pulse width modulation and feedback obtained+5 V，±12 V three-way stable output.Experimental results show that the power supply has a good performance.

switch power；flyback；UC3844；transformer

TN710.1

：A

：1674－6236（2017）01-0175-04

2015-12-03稿件编号：201512026

刘梦坷（1992—），女，河南南阳人，硕士研究生。研究方向：电力电子与电力传动。