基于UC3842的单端反激式开关电源设计

王秋妍 郑浩 王道平 王凯

摘 要 本文设计了一种基于UC3842芯片控制的双路输出反激式开关电源，介绍了控制电路和变压器设计，由于开关电源设计的实践性较强，本文给出的方法仅作为一种参考，实际问题则需要在实践中不断加以总结和完善，才能满足要求。

【关键词】开关电源 反激式 UC3842 变压器

开关电源作为电源家族中重要的成员，由于其效率高、可靠性高、体积小等优势，已经成为发展较快的前沿电源技术。根据转换的形式开关电源可以分为：AC/DC、DC/DC、DC/AC、AC/AC。其中DC/DC是基本变换器，包括3种基本拓扑结构：Buck（降压型）、Boost（升压型）和Buck-boost（升降压型）。在此基础上，演变出Forward（正激式）、Fly-back（反激式）、Half-bridge converter（半桥式）、 Full-bridge converter（全桥式）、Push-pull converter（推挽式）。

由于反激式变换器具有电路结构简单，工作频率高、输出电压稳定且输出不需要滤波电感等优点，特别适用于小功率、多路输出的场合。

1 反激式开关电源

反激式开关电源因其输出端输出端在变压器原边绕组断开电源时才获得能量而得名。其拓扑结构如图1所示。

如图1所示，反激式拓扑基本原理为：在脉宽调制PWM信号高电平时，开关管导通，变压器一次侧有电流流过，此时一次侧存储能量，而变压器二次侧感应出与一次侧反相的电压，二极管VD反向截止，输出由电容产生；在脉宽调制PWM信号为低电平时，开关管截止，变压器一次侧电流为零，根据电感特性，变压器一次侧将产生反向电压，此时，变压器二次侧感应出的电压使二极管VD正向导通，进而给电容充电并为负载提供能量。

由反激式拓扑构成的开关电源结构框图如图2所示。

由图2所示，反激式开关电源主要包括输入EMI电路，整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制电路、反馈电路、输出整流滤波电路等。

2 开关电源控制芯片UC3842

UC3842是一款频率高性能、固定频率脉宽可调的PWM控制芯片。该芯片具有如下性能特点：

（1）属于电流型PWM调制器，管脚数量少，能够通过较简单的外围电路实现高效率、低成本、小体积的开关电源。

（2）最高开关频率可达500kHz，频率稳定度高达0.2%，效率高，图腾柱式输出电流可达1A，能够直接驱动N型功率MOSFET。

（3）锁存脉宽调制，可实现逐周限流，进一步提高输出电压的稳定度和线性调整率。

（4）具有低启动和工作电流、低功耗和输出端过流保护、欠压锁定功能。UC3842内部结构和引脚如图3所示。

UC3842由误差放大器、电流检测比较器、振荡电路、PWM锁存器、欠压锁存器、5V基准电压源和输出驱动电路等组成。

3 反激式开关电源的设计

3.1 开关电源总体设计

本文将以UC3842为控制芯片，采用单端反激式拓扑，设计两路输出电压5V且电流分别为1A和2A的开关电源，设计指标如下。

输入电压：220±10%；输出电压5V/1A和5V/2A；纹波电压：±500mV；输出功率：15W；效率：80%；开关频率65KHz；占空比：小于40%。

如图4所示，电路由输入EMI电路，整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制电路、反馈电路、输出整流滤波电路等构成。功率变换电路为反激式拓扑结构，功率管选用IRFBC40 （600V，6A），二次整流二极管选用肖特基二极管1N5825 （40V，5A）。

由于输入整流滤波电路和输出整流滤波电路都有较成熟的设计思路和电路，因此，本文将重点介绍控制电路和变压器设计。

3.2 控制电路

控制电路是整个开关电源的核心，直接决定着该开关电源的性能。如图4所示，该控制电路采用电压、电流双闭环控制，即在电压闭环控制系统中加入峰值电流反馈控制，从而进一步提供开关电源的动态特性和控制精度。

电路电压外环采用TL431和光耦EL817构成的误差放大器，将此误差放大器的输出直接送至UC3842的1脚；电流内环将开关管电流经采样电阻R13送入UC3842的3脚。这样，误差电压与电流比较器同相输入端进行比较，从而调节输出脉冲的宽度。

电路的工作频率由电阻R12和電容C11确定，根据

和定时电阻与振荡器频率关系曲线（可查阅UC3842数据手册）可知，在C11取2200pF时，R12可取10KΩ左右，本设计为12KΩ，则开关频率为65KHz。

为了减小由MOSFET输入电容和在栅—源电路中的任何串联引线电感所产生的高频寄生振荡，在PWM输出信号与MOSFET栅极间串联电阻R7。电容C6、C7、C8减少了控制芯片电源和参考电源的噪声。

控制电路的控制信号取决于反馈回来的采样信号。本设计电压反馈电路采用TL431和光耦EL817构成的误差放大器，如图4所示。虽然控制芯片UC3842内部含有误差放大器，但是在隔离拓扑的条件下，本设计采用光耦器件来实现输出反馈信号和输入信号的隔离。同时，考虑到如果将此光耦与TL431构成误差放大电路，不仅可以实现隔离，而且将该输出直接作为UC3842内部误差放大器输出，可以减小电压反馈采样时间，提高开关电源的控制精度。正因为这样的电压反馈电路，UC3842内部误差放大器反相输入端2脚接地。

电流内环将开关管电流经采样电阻R13转换成电压信号送入UC3842的3脚，该采样电阻流过电流较大，因次，必须考虑其功率问题。由于高频变压器匝间电容和输出整流二极管恢复时间会使MOSFET开关管电流产生尖脉冲，因此，本设计增加R11C10滤波消除电流波形前沿尖脉冲产生的不稳定因素。

3.3 高频变压器

3.3.1 选择磁芯

本设计采用面积乘积法选取磁芯参数，面积乘积法又称AP法，AP值表示磁芯有效截面积与窗口面积的乘积值。

AP的计算公式为：

式中AP：磁芯面积乘积（A/cm2） ；Ae：磁芯有效截面积（cm2）；Aw：磁芯窗口面积（cm2）。现已知Po=15W，η=80%，Dmax=0.36；窗口面积利用系数Kw的取值介于0.2到0.4之间，这里我们取Kw=0.3；电流密度J取值范围为200～600 A/cm2，本设计中取J=400 A/cm2；最大磁感应强度Bm一般取0.1～0.3T之间，这里取Bm=0.2T；在220V输入时，电流脉动系数Krp一般取0.6到1之间，这里取Krp=0.7。将这些参数带入公式得：

利用我们计算得到的AP值，考虑到磁芯损耗等诸多因素，本设计选择AP值更大一些的PQ26/25。

3.3.2 一次侧参数

计算出一次侧导线线径后，根据初级峰值电流、有效值电流和匝比确定次级绕组峰值电流和有效值电流，再计算出次级绕组线径。

据此求出各绕组的峰值电流，进而得到各绕组的线径。

变压器的设计是反激式开关电源的难点所在。除了理论分析和计算之外，需要设计人员根据一些经验参数来进行变压器的调试，更多时候需要实际经验和理论设计两者相互结合。

4 总结

本文设计了一种利用UC3842芯片控制的双路输出反激式开关电源，经过测试，芯片驱动信号波形正常，两路输出电压分别为4.91V和5.11V，电压纹波小于500mV。由于反激式开关电源的设计其实践性很强，本文给出的方法仅作为一种参考，许多实际问题需要在实践中不断加以总结和完善，才能满足实际要求。

参考文献

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作者简介

王秋妍（1978-），女，陕西省绥德县人。讲师，主要从事电工电子教学和研究。

作者单位

火箭军工程大学理学院 陕西省西安市 710025