新型多路输出单端反激式开关电源设计

尹 雷，万 舟，沈天舒

（昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650000）

新型多路输出单端反激式开关电源设计

尹 雷，万 舟，沈天舒

（昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650000）

开关电源是采用脉冲宽度调制（PWM）等技术控制开关电路构成的电能变换装置，它在直-直流和交-直流电能变换中的应用越来越广泛，它的功率可以小到数瓦甚至毫瓦级，也可以大到数百M瓦甚至G瓦。开关电源在电子、电器设备等领域广泛应用，它具有重量轻、体积小、发热量低、效率高、性能稳定、使用方便等优点，逐渐的取代了传统的线性稳压电源，是一种新式电源，是稳压电源的主导产品。该文设计的开关电源是基于集成开关电源芯片设计的三路输出小功率单端反激式开关电源。该电源有自动稳压、短路保护、过流保护、反馈补偿等保护电路，可增强电源工作的安全性和可靠性，具有较高的实用价值和良好的工程应用前景。

开关电源；反激式变换器；高频变压器

0 引言

近年来，开关电源的应用越来越广泛，是一种新式电源，它具有重量轻、体积小、发热量低、效率高、性能稳定、使用方便等优点，而且慢慢的取代了传统的线性稳压电源。它很好的应用在通信、航天、仪器、设备、机械、电器等领域。

在社会生活中，市场上开关电源中的功率管很多采用绝缘栅双极晶体管和全控电力场效应管，它们的开关频率分别可达几十千赫兹，几百千赫兹。这些高速开关元器件的应用极大地提高了开关电源的开关频率。

1 工作原理分析

本文设计的开关电源的电压是由控制器 UC3844输出的高频PWM信号来控制全控 MOSFET开关，利用控制开关的导通时间来调整输出电压，用可调精密并联稳压器TL431、线性光耦合器PC817和其他电路元器件一起作为反馈环节，使设计出的开关电源具有自动稳压功能。下图为所设计的多路反激式开关电源的原理图。

图1 基于uc3844的反激式开关电源原理图Fig.1 Based on UC3844 flyback switching power supply schematic diagram

2 系统电路设计

该开关电源系统在总体上可分为主回路系统和控制回路系统。主回路系统由输入整流滤波电路、DC-DC变换电路、高频变压器电路和输出整流滤波电路几部分组成。控制回路系统由 PWM脉冲信号发生电路、反馈回路、过流保护电路和过压保护电路几部分组成。

开关电源的输出电压由主回路和辅助回路组成，将+5 V的输出设置为主回路，并设有反馈回路，+3.3 V、+12 V电压的输出设置为辅助输出。整体电路系统结构如图2所示。

2.1 主回路系统设计

市电供电的开关电源，其输入整流滤波电路的设计是必须的，其设计的好坏直接影响着电源的可靠性并对电网的影响也比较大。

在输入整流滤波电路中，采用的是EMI滤波器、浪涌电压电流抑制器、整流器以及滤波电容的组成结构方式，图3为输入整流滤波电路原理图。

C1、C2是抑制串模干扰，分别是容量为0.1μF/400V的薄膜电容。根据通过电感的电流，选取L值为8mH。

输出端接地使用的是 C3、C4跨接的方式，可以起到抑制共模干扰的作用。通常用陶瓷电容，容值在 2200～4200pF。

通常VD1、VD3采用快速恢复二极管可以降低500KHZ以下的噪声，这里选取FR156。VD2、VD4选取IN4007。

输入滤波电容C5的选取由经验公式知，在AC85～265V输入时，选取220μF/400V的铝电解电容。

图2 整体电路系统组成框图Fig.2 Block diagram of the overall circuit system

图3 输入整流滤波电路原理图Fig.3 Input rectifier filter circuit schematic

高频变压器是开关电源重要的组成元器件，它的作用不仅是能量的转换和传输，而且可以使输入和的整体性和可靠性。所以，材料、磁通密度和损耗对于变压器的设计来说是非常重要的。

1、选择变压器的磁芯和材料

开关电源中用的高频变压器的磁芯都是铁磁合金，本文设计选用NCDLPZ材料的铁氧体磁芯。磁芯规格的确定可以根据制造厂提供的图表按输出功率来选择。

根据设计的需要，选用每边大约 35 mm的EE35/35/10材料的PC30磁芯，磁芯的Ae=100 mm，Acw=188 mm，Al=120 nH，磁芯重量W=40.6 g。

（1）计算初级临界电感

式中，Ae是磁芯的有效截面积，单位是 cm2；Bmax是最大的工作磁通密度，单位是 G；Lpmin是最小初级电感，单位是H。

（3）计算一次绕组的最大匝数Npmax

为了方便次级绕组的设计，取Np=111匝。

（4）计算二次主绕组匝数Ns5v

VD用肖特基二极管，它的典型值是0.6 V。

（5）计算其他次级绕组的匝数

+3.3V绕组：Ns3v=1.83匝 取2匝。

+12V绕组：Ns12v= 6.75匝 取7匝。

（6）检测输出电压误差

+3.3V绕组：ΔVs3.3v=4.2%。

+5V绕组：ΔVs5v=3.4%。

+12V绕组: ΔVs12v=3.7%符合设计要求。

（7）计算和选取绕组导线规格

式中，dn是相应的绕组直径，单位是 mm；In是相应绕组的额定电流，单位是A；J是电流密度，单位是A/m m2，AWG标准J=1.98 A/m m2。

初级绕组的最大电流有效值是:

电压纹波的大小是受到输出整流滤波电路的影响的，开关电源输出端中对纹波幅值的影响主要有以下几方面。

（1）输入电源中所包含的交流成分。因此，在电源输入端加上电容，可以消除噪声干扰。

（2）采用快速恢复二极管整流。

低压输出部分的整流滤波电路图如下图 4所示：由整流、续流二极管，滤波电容和稳压器件等器件组成。在最小占空比（其值在 0.3是比较合适的）；Vp-p是最大的输出电压峰峰值，单位是mV。

+3.3V、+5V：C13=C15=0.5A×(1-0.3)/(50 KHZ×100 mV)=70μF取100μF

+12V：C17=1A×(1-0.3)/(50 KHZ×100 mV)= 140μF取 220μF。

图4 输出级电路原理图Fig.4 Output stage circuit schematic

当其二次经过 LC滤波，当电压不满足纹波要求时，进行再一次滤波。一般滤波电感选择0.3μH，滤波电容要考虑纹波电压又要考虑抑制负载电流的变化，选择100μF。

2.2 控制系统设计

该系统采用电流电压双闭环串级控制结构，内环是电流环，外环是电压环。控制原理是：给定的电压Ug与从输出反馈回的电压Ur进行比较，得到的电压误差经电压调节器输出作为另一给定的电压信号Ue。该信号与经电阻采样反映电流变化的信号Us进行比较，输出一个占空比可调的PWM脉冲信号，从而使得输出电压信号 V0保持恒定。电流型PWM控制系统框图如图5所示。

在反馈电路系统中，DC/DC转换器通常采用光耦实现电路的隔离。

在保护控制电路系统中，过流保护是通过检测R5上流过的电流，再通过 R4和 C10滤波反馈回UC3844，与它内部的基准电压1V比较，使导通的宽度变窄，输出电压下降，直到UC3844停止工作，达到保护电路的目的。短路现象消失后，电源就自动恢复正常工作。由于在输入保护中，一般要在输入端加熔丝管，这里选用2A的熔丝管，压敏电阻VSR和负温度系数热敏电阻NTCR。

3 系统调试

1、电路的启动过程

交流市电通过整流电路得到的直流电压分为两路：一路经过高频变压器的初级绕组 Np加在MOSFET的漏极；另外的一路经过启动电阻 R1向C8充电，为MOSFET提供启动电压，加在UC3844的第7引脚，当C1充电值达到16 V时，UC3844启动工作，这个过程称为电压的软启动。为了防止冲击电压损坏UC3844，要在UC3844的第7引脚和地间加一个18 V稳压管D11。引脚8产生的基准电压5 V经过R14对C19进行充电，并在引脚4上形成锯齿波电压信号，它的频率就是电源的工作频率。锯齿波电压信号进入 UC3844的内部振荡器，产生出频率固定的振荡信号，经过脉冲宽度调制和推挽式输出级的放大后，在引脚 6输出栅极驱动信号使MOSFET导通。

2、开关电源的稳压过程

三路+3.3 V、+5 V、+12 V输出电压经过R11、R12、R13分压后和TL431的基准电压2.5V比较，产生误差电压，并且经过线性光耦合器PC817把误差电压传给UC3844，它控制MOSFET的占空比来进行稳压。输出电压升高时，经过分压电阻所得的采样电压也升高，流过线性光耦合器PC817发光二极管的电流增大，光电三极管的导通程度加深，它的集射极电压减小，UC3844的引脚6输出的驱动信号的占空比减小，因此输出电压下降，达到了稳压的目的。输出电压下降时，控制过程与上述相反。输出波形图如下所示，其中+3.3 V、+5 V、+12 V三路输出波形相似，不同的是它们波形的幅值。

图6 三路输出波形图Fig.6 Thr ee-way output waveform

4 结语

本文利用反激式变化器对多路输出单端反激式式开关电源的设计，一直是人们的关注和研究的热点，本文主要是针对AC/DC开关电源多路输出式控制策略自激震荡电路研究，设计出高性能的多路输出式开关电源。该电源取自 220V市电，工作频率为 50KHZ，采用全控电力场效应管 MOSFET作为开关管，利用控制开关管的导通时间来调整输出电压，用控制芯片UC3844实现电压电流双闭环控制，用可调精密并联稳压器 TL431、线性光耦合器PC817和其他电路元器件一起作为反馈环节，使设计出的开关电源具有自动稳压功能。它将输入的交流电压经过滤波、PWM控制、功率变换和稳压控制等电路的处理，得到要求的电压和电流。可作为工作电源应用在风力发电系统，光伏发电系统等领域，具有良好的应用前景。

[1] 龚希宾, 刘星桥, 凌俊杰. 一种新型的单端反激式开关电源的设计[J]. 广西工学院学报. 2014(2).

[2] 卞世超. 单端反激式开关变压器电感值的选择[J]. 火控雷达技术. 2008(1).

[3] 高曾辉, 于相旭. 单端反激式开关电源的稳定性分析[J].重庆大学学报(自然科学版). 2010(1).

[4] 梅彦平, 马瑞卿. 单片机用单端反激式隔离开关稳压电源的设计[J]. 计测技术. 2015(3).

[5] 高曾辉, 邵菊香. 单端反激式开关电源的恒压输出条件及实验验证[J]. 西南民族大学学报(自然科学版). 2014(3).

[6] 熊兴隆. 一种单端反激式高压DC/DC变换器[J]. 电源技术应用. 2009(5).

[7] 史琳芸, 程晓维, 史春侠. 一种单端反激式功率叠加DC/DC变换器的设计[J]. 科学技术与工程. 2012(19).

[8] 陈息坤, 宋寅卯, 李丽娟. 单端反激式开关电源系统研究[J]. 郑州轻工业学院学报. 2011(1).

[9] 李永刚, 李锦萍, 马昆宝. 单端反激式开关电源脉冲变压器工作方式的分析[J]. 首都师范大学学报(自然科学版).2004(3).

[10] 汪礼, 赵珂. 单端反激式LED开关电源变压器的设计[J].电子设计工程. 2011(18).

[11] 徐勇, 金辛海. 多路输出反激式开关电源的反馈环路设计[J]. 电源技术应用. 2009(1).

[12] 田俊杰, 秋向华, 陈静, 柴书罡. 单端反激式开关电源中变压器的设计[J]. 电源技术应用. 2009(2).

[13] 胡志明, 邹文东. 基于双闭环控制的单端反激式多路隔离输出开关电源的实现[J]. 广东输电与变电技术. 2008(1).

[14] 夏泽中, 王彬, 李军. 基于UC3842的单端反激式开关电源的设计与分析[J]. 电源技术应用. 2008(6).

[15] 张慧涛, 黄先进, 叶斌. 基于电流控制型芯片的多路输出反激式开关电源设计[J]. 通信电源技术. 2007(1).

[16] 潘媚媚, 张俊芳. 分布式电源的逆变器接口研究[J]. 新型工业化, 2014(6).

[17] 谢秦, 刘冬梅. 含有分布式电源(光伏)的配电网若干问题研究[J]. 新型工业化, 2014(8).

Design of Multiple Output Single-Ended Flyback Switching Power

YIN Lei, WAN Zhou, SHEN Tian-shu
(Faculty of Information Engineering and Automation Kunming University of Science and Technology Kunming 650000)

Switching power supply is the use of power conversion that means pulse width modulation (PWM)technology to controls the switch circuit, which is used more and more widely in transform from DC to AD , its power can be as small wattage even milliwatt and to be as large as several hundred megawatts or gigawatts. Also switching power supply is widely used in the field of electronic and electrical equipment and other places . Switching power supply has a light weight, small size, low heat, high efficiency, stable performance, ease of use, slowly replacing the traditional linear power supply, is a new type of power supply, power supply is the leading product.The graduation project is based on the popular switching power supply monolithic integrated switching power supply chip design triple output low-power single-ended flyback switching power supply. The power supply with automatic voltage, short circuit protection, overcurrent protection, feedback compensation circuit protection, can enhance the safety and reliability of power supply, with high practical value and good engineering applications.

Switching power supply; Flyback converter; High-frequence transformer

TP303+.3

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.11.027

本文著录格式：尹雷，万舟，沈天舒. 新型多路输出单端反激式开关电源设计[J]. 软件，2017，38（11）：137-141

尹雷(1993-)，男，研究生，主要研究方向：智能电力电子设备；万舟(1960-)，男，副教授，主要研究方向：智能电力电子设备；沈天舒(1994-)，男，研究生，主要研究方向：智能电力电子设备。