反激式稳压开关电源的制作方法

本实用新型涉及一种电子电源技术，尤其涉及一种反激式稳压开关电源。

背景技术：

随着信息化社会的日新月异，电子设备被广泛应用在各种领域中，不仅发展速度之快令人惊奇，而且其应用范围也日益广阔。其中最具代表性为处理医疗设备的微弱信号、信息处理设备以及通信设备、工业生产各个领域各种电机的交直流调速、材料加工领域中各个加热电源的能量输出控制等。如此发展的结果，使此类电子设置的研究逐渐受到重视。随着对技术要求越来越高，以电压驱动的各种全控型高频大功率器件及其功率模块也逐渐出现。经过电源变换技术再应用的电能已经达到全部电能的90％，凡是有电子设备的场合都要用到电源设备，小到家用电器、便携设备，大到工农业生产、军事工程等。开关电源在很多方面都具有优势，应用范围也日趋广泛，它让电子设备体积小、重量轻、节省电能得到了有效实现。且单端反激式变换器电路拓扑简单，输入输出二者电气相隔离，有较宽的升降范围，具有高可靠性。本文从一种单端输出式的高性能芯片UC3842入手，着重论述了它在单端反激式开关稳压电源中的应用，具体分析了整个设计的电源电路，并详细计算了相关电路的核心部件变压器的参数。

开关电源的工作原理：开关稳压电源简称开关电源，它是指起电压调整作用的器件始终以开关方式工作的直流稳压电源。它具有良好的电压调整作用，通常采用功率半导体器件来作为控制开关，整个输出电压的调整是由对开关管输出脉冲信号的控制的占空比来实现。图1是开关式稳压电源的基本电路框图。工作流程是：交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。系统电路主要由整流滤波、高频变换器、调整方波整流滤波、取样器、比较器、脉宽调制、比较器、取样器、振荡器、基准电压等构成，其中脉宽调制由振荡器来调制，比较器是由基准电压来调控。这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。开关电源的控制电路的作用是用来调整高频开关元件的开关时间比例，通过调整这个开关时间比例来可以实现输出电压稳定。

图1的传统开关电源存在开关噪声干扰是开关电源的主要缺点。因为开关器件总是工作在开关状态，这样一些尖峰、谐振干扰就会由于交流电压和电流会通过电路中的其他元器件产生。这些干扰不仅会对正常工作产生很大的负面影响，还会干扰其他电子设备。因此必须采取适当的措施对这些干扰进行抑制消除。因此，设计开关电源的时候采取恰当的措施来抑制屏蔽干扰是至关重要的。

技术实现要素：

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种反激式稳压开关电源。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

本实用新型包括PFC滤波模块、FUSE模块、高压整流滤波模块、开关变压器、RCD箝位、低压整流滤波模块、短路保护模块、PWM芯片、开关管和取样反馈电路，交流电源通过FUSE模块与所述PFC滤波模块的输入端连接，PFC滤波模块的输出端通过高压整流滤波模块与开关变压器的输入端连接，开关变压器同时与RCD箝位和低压整流滤波模块的输入端连接，低压整流滤波模块的输出端与短路保护模块连接，所述短路保护模块的输出端为反激式稳压开关电源的输出端，所述短路保护模块的输出端与所述取样反馈电路的信号输入端连接，所述取样反馈电路的信号输出端与所述PWM芯片的信号输入端连接，所述PWM芯片与所述开关管连接。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型是一种反激式稳压开关电源，与现有技术相比，本实用新型基于电压型PWM集成控制器UC3842设计并制作出单端反激式电源。中运用脉宽调制(PWM)基本原理,采用UC3842作为控制核心器件，以场效应管作为开关管来构成设计的主体。具体分析了整个电路的工作原理，对设计相关参数进行了计算推导，并通过试验结果验证了该开关电源具有电压调整的特点，并且效率高，是一种性能良好的开关电源，具有推广使用的价值。

附图说明

图1是传统开关电源的结构原理框图；

图2是本实用新型的结构原理框图；

图3是本实用新型的PWM芯片中UC3842引脚图；

图4是本实用新型的UC3842内部结构框图；

图5是本实用新型的启动UC3842细节图；

图6是本实用新型的UC3842引脚6连接图；

图7是图4中电流测定比较器TL431的通断电路原理图；

图8是本实用新型的MOS管的通断电路图；

图9是本实用新型的电路拓补结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图2所示：包括PFC滤波模块、FUSE模块、高压整流滤波模块、开关变压器、RCD箝位、低压整流滤波模块、短路保护模块、PWM芯片、开关管和取样反馈电路，交流电源通过FUSE模块与所述PFC滤波模块的输入端连接，PFC滤波模块的输出端通过高压整流滤波模块与开关变压器的输入端连接，开关变压器同时与RCD箝位和低压整流滤波模块的输入端连接，低压整流滤波模块的输出端与短路保护模块连接，所述短路保护模块的输出端为反激式稳压开关电源的输出端，所述短路保护模块的输出端与所述取样反馈电路的信号输入端连接，所述取样反馈电路的信号输出端与所述PWM芯片的信号输入端连接，所述PWM芯片与所述开关管连接。

相比于相控整流电源，开关电源性能更加优异。开关电源在输出直流电压较高时仍能可靠工作，凭借开关电源的可靠性高在各方面应用广泛。在基于元器件及生产工艺因素良好的情况下，开关电源的主电路拓扑结构和控制方法是决定其可靠性的关键。在本设计系统中，先结合系统的设计技术参数确定系统的主电路拓扑并设计出完善的主电路，再对滤波、整流和保护控制等部分作相关的设计。

实现本实用新型的系统总方框图如图2所示:其中，PWM芯片是设计中的核心元件,本实用新型采用UC3842作为宽度脉冲调制的产生和控制器件。同时开关变压器的设计以及主电路的元件参数也是设计的重中之重。

采用电压模式控制PWM

20世纪60年代后期开始兴起电压模式控制PWM。这种方法具体是与一些必要的过电流保护相结合，配合使用者的要求进行具体的电路设计。因其良好的工作特性，在工业界沿用至今。电压模式控制具体指的是：根据脉冲宽度调整原理，将恒定频率的三角波上的斜波与电压误差放大器采样放大的慢变化的直流信号相比较，得到相应的脉冲宽度，同时必须另外附加逐个脉冲的限流保护电路。

电压模式控制主要有五个优点。第一点是脉冲宽度调制的三角波幅值较大，调节时能够有效抗噪声；第二点是电压模式控制时占空比调节不受限制；第三点是电压模式控制的电路中多路输出各电源之间具有良好的调节效应；第四点是电压模式控制采用一个反馈电压闭环设计，调试方便；第五点是即便出现输出负载的变化较大的情况，电压模式控制的电路也能很好的进行响应调节。

由UC3842构成的单端反激式开关电源

功率场效应管(MOSFET)简介

20世纪70年代的后期，通过科学家们刻苦专研，功率场效晶体管开始进入人们的视线，把它用于生产生活中。经过十几年的使用经验，人们为了改善相关的性能，开始做大量的科学研究，主要是针对消除寄生效应、降低器件的导通电阻、扩大电压和电流容量以及集成化的驱动电路方面，通过这些研究取得了很大的进展，为今后的晶体管发展做出了巨大贡献。在电力电子器件中，MOSFET种类多样并且结构繁杂，按其导电沟道不同可分为P、N沟道两类，其中又有耗尽型和增强型。耗尽型是指当栅极电压为零时，导电沟道存在于漏源极之间；增强型是指:对于N(P)沟道器件，当栅极电压大于(小于)零时，存在导电沟道.在电力电子器件中N沟道增强型器件是主要的MOSFET。

功率场效应管也叫电力场效应晶体管，它是一种单极型的由电压控制的电力电子器件。其特点有：驱动功率小,开关速度高、具有自关断能力、无二次击穿、安全工作区宽等。由于功率场效应管易于驱动并且开关频率可高达1MHz，因此特别适于高频化的电力电子装置。在各种开关电源、DC/DC变换器、各种通信乃至家用电器设备中得到了广泛的应用，可以说我们的一举一动都有它的贡献。它局限用于小功率的电力电子装置的原因是电流、热容量小且耐压低。

漏极D、源极S和栅极G是电力场效应晶体管的3个端子。管子处于截止状态时沟道不导电，此时电源正极接漏极、电源负接极源极，且栅极和源极之间电压为零。管子处于开通状态时漏、源极之间有电流流过，此时是在源极和栅极之间加一正向电压，并使该正向电压大于或者等于管子的开启电压。如果正向电压超过开启电压越大，漏极电流和导电能力也相应越大。

因为功率场效应管一般采用单极性多子导电，所以开关时间很短，又因其很容易达到1MHz的开关工作频率而备受关注。但是在我们生活中只有中小功率器件里存在，原因是功率场效应管提高器件阻断电压时必须要加宽器件的漂移区，这样使得器件的内阻和通态损耗都随之显著增大。

UC3842概述

UC3842是国内应用比较广泛的一种电源集成控制器，是由尤尼创(Unitrode)公司开发的新型控制器件。其最大占空比可达100％，并且它的输出频率与振荡频率相等，在各种单端反激式变换器很常见，且输出功率低于100W。UC3842集成芯片采用单一电源供电，单路调制输出，且带电流进行正向补偿。根据它的性质我们可以判别它主要用于高频中小容量的开关电源。传统离线式反激变换器电路就是由它构成。在驱动隔离输出单端开关时，想要通过控制PWM序列的占空比来达到电路稳定的目的，一般采用的方法是：将内部2.5V基准误差与比较器的反向输入端通过反馈绕组经由电阻分压得到的信号相比较，将电流采样电压及PI补偿网络二者与误差比较器的输出端相比较。

8脚双列直插是UC3842的封装形式，具体管脚排列如图3所示。各引脚功能如下。1脚(COMP)是补偿脚，误差放大器的频率特性就靠此脚外接阻容元件用来补偿；2脚(UFB)作为误差放大器的反相输入端；3脚(ISEN)是电流检测端，此脚用来接收通过检测电阻流过开关管的电源转换的电压信号，用它来调整输出电压并控制PWM锁存器；4脚(RT/CT)是振荡器脚，用于外接定时元件RT,CT；5脚(GND)是接地脚，此脚是控制电路和电源电路的公共接地端；6脚(OUT)是输出脚，此脚是直接驱动功率场效应管栅极的推挽输出放大器的图腾柱式输出端，最大可有1A的驱动峰值电流，输出13.5V的高电平，输出1.5V的低电平；7脚(Vcc)是用于电源的输出的引脚，此脚外接电源电压，要保证内部工作在34V范围内，UC3842要有10V的关断电压、16V的开启电压，34V的内部的稳压管电压，UC3842的内部电源是由经内部基准电压电路的作用产生的5V基准电压提供，内部比较器的基准电压由经过衰减得到2.5V电压提供；8脚(VREF)是基准电压输出脚，用于参考电压的输出。电容Cr的充电电流正是由此脚通过电阻Rf提供。

UC3843是专门为离线式开关电源和DC/DC变换器应用而设计的芯片，它的优点是：外围电路简单，安装与调试方便，价格低廉，管脚数量少，性能优良。有高达500KHz的工作频率，小于1mA的启动电流，15mA的正常工作电流，可达0.01％的电压调整率。它适用于无工频变压器的20-80W的小功率开关电源的主要原因是它利用高频变压器来与电网隔离，此芯片的限定工作温度为0-70度范围内，它允许的最高输入电压为30V，允许的最大输出电流为1A。

该芯片电路开关频率可调节、可电流和电压反馈双环控制、负载调整率和电压调整均较高。主要是由PWM锁存器电路、图腾柱输出电路、输入和基准欠电压锁定电路、有温度补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、振荡器等组成。其内部结构图如图4所示。该芯片主要有以下性能。第一个性能是振荡器的放电电流，让占空比更加精确；第二个性能是调整最高开关频率可达500KHz；第三个性能是逐个脉冲的电流限制用带锁定的PWM来实现；第四个性能是因内部的参考电源可调整，因而可以进行欠电压锁定；第五个性能是能够提供大电流输出，输出电流可高达1A，可直接对功率场效应管进行驱动；第六个性能是在阈值电压附近工作时的振荡由欠压锁定电路有效防止。

UC3842主要具有两种功能：峰值电流限制保护和输入欠压保护。开关电源的输出过流或短路就是通过这一峰值电流的限制来实现保护。本设计就是利用的输入欠电压保护。欠电压保护功能主要是靠UC3842内部固有的欠压锁定电路来实现，当低位门槛电压高于提供给UC3842的工作电压时，输出驱动脉冲信号被欠压锁定电路封锁，此时开关管关断。

反激式开关稳压电源的工作原理

根据前文具体器件功能的介绍，所设计的系统总电路图如附录3所示。

开关稳压电源工作原理分析

(1)通过启动电阻来启动UC3842。如图5所示。

(2)通过UC3842引脚6输出的PWM信号来控制功率场效应管的通断，部分电路如图6所示。当输出的PWM信号为高电平时，功率场效应管导通，输入电源给变压器充电；当输出的PWM信号为低电平时，功率场效应管关断，能量通过磁场被变压器传输到次级线圈输出。

(3)当设定值比输出电压高时TL431反向导通，同时光耦二极管也导通，光耦二极管的4脚为低电平输出,即UC3842的引脚1为低电平输出。此时UC3842的引脚6为PWM低电平输出，输出电压降低，功率场效应管关断。

相反，当设定值比输出电压低时TL431反向截止，同时光耦二极管也关断，光耦二极管的4脚为高电平输出，即UC3842的引脚1为高电平输出。此时UC3842的引脚6为PWM高电平输出，功率场效应管处于导通状态，输出电压相应也增大。TL431的通断如图7所示。

通过以上阐述，电压可以在设定值处稳定。

当流过功率场效应管的电流过大时，相应UC3843的输入电压也会增高，UC3843的引脚6输出低电平，功率场效应管处于关断状态，从而进行过流保护。部分电路如图8所示。

反激式开关电源设计与参数计算

开关电源比较核心的问题就是高频变压器的参数设计，现在针对设计要求我们来一步步设计相应的各参数。

相关技术参数

本实用新型的输入电压设定在200VAC到240VAC之间,由此可以算出整流后的电压范围:

输出电压设定为12V；

最大输出电流为5A；

关于输出功率的计算如下:

Po＝Vout×Iout＝12V×5A＝60W (2)

效率n为80％；

关于输入功率的计算如下：

占空比的最大值为Dmax＝45％；

平均输入电流为：

输入的峰值电流为：

启动电阻设定

由UC3843芯片的基本特性可知，1mA为UC3842的最大启动电流,由此可以算出启动电阻：

由上式知，启动电阻小于267千欧，本设计取200KΩ

故启动电阻可为200KΩ/1W

开关频率的设定

UC3843芯片的开关频率计算公式为令R＝8.2K,C＝3.3NF，此时开关频率为：

变压器参数计算

此变压器的电压输出有两种，第一种是主输出12V；第二种是给UC3842供电的16V辅助绕组输出电压。

变压器电感(初级侧):

由于已经达到了60W输出的功率，故选择EE28磁芯。

EE28的磁芯为Ae＝89(mm2),取ΔB＝0.2T

63.6千赫兹的开关频率,一个周期的导通时间计算如下：

由此可以算出初级线圈绕组的匝数：

故选用113匝。

匝伏比为：

根据12V的次级线圈输出电压，1V的线圈压降和1.5V的二极管压降可得出次线圈的匝数：

故次级线圈的匝数为6。

根据16V的辅助绕组输出电压，1V的线圈压降和1.5V的二极管的压降可得出辅助绕组线圈的匝数：

故辅助绕组为8匝。

电流强度的计算公式为：

当初级线圈的线径为0.3时电流强度为：

当变压器线圈的电流强度低于6时，线圈温度最合适，故此参数设定是符合要求的。

因为辅助绕组的电流较小，选取0.3毫米的线径。

当次级线圈的输出电压为12V，线径为0.5毫米，其采用两组3股并线时的电流强度为：

故次级线圈的线径为0.5mm是符合要求的.

故变压器的具体参数设定为：

1->2:φ0.3x 1x 57T

6->9:φ0.5x 3x6T

7->10:φ0.5x 3x6T

2->3:φ0.3x 1x 56T

5->4:φ0.3x 1x 8T

MOS管的选择

MOS管主要是根据导通电阻、驱动电压、反向电压及最大电流的参数来选择。综合成本及实现功能的难易度，最优选择为220VAC的输入及600V的功率场效应管反向电压，选取IRFBC40晶体管作为本电路板的功率场效应开关管。UC3843芯片的16V工作电压、输出16V的MOS管驱动信号和4.5V的MOS管导通电压是符合要求的。而IRFBC40最大电流Imax为25A，远远大于1.18A的峰值电流,故选择IRFBC40是符合设计要求的。

RCD箝位电路设计

MOS管的最大反向电压VDSS为600V，故电容两端电压的箝位为：

V_CLAMP＝0.9×V_DSS-V_INMAX＝0.9×600-340＝200V (18)

取2％的初级电感为初级绕组的漏感:

L_LK＝5％×L_P＝1％×1.7mH＝17uH (19)

反射电压VOR为：

由此可得箝位电阻为：

故选择两个30K电阻并联组成此箝位电阻。

要保证吸收漏感能量时自身有足够小的脉动电压，箝位电容的值就要保证足够大。在电子技术的设计中一般取箝位电压的百分之五到百分之十作为脉冲电压,当取箝位电压的5％时，箝位电容为：

可取68Nf作为箝位电容，箝位电容两端的耐压值为630V。

过流保护设计

UC3842的引脚3为过流反馈脚，当输入电压高于1V时，MOS管的驱动输出关断。

75％的电流反馈的取样电阻即为取样电样：

取样电阻的最大功率Pmax为:

所以选取0.68R 1W的金属氧化膜电阻作为本设计的电流反馈取样电阻。

输入与输出电容

输入电容Cin:

Cin＝(1.5～3)Pin＝(1.5～3)×75＝(112.5～225)uF (25)

取输入电容为100UF/400V.

输出电容Cout:

Cout＝(200～300)Iout＝(200～300)×5＝(1000～1500)uF (26)

故可选取三个470/25V铝电解电容进行并联形成此输出电容。

同时采用并联1UF、100NF、10NF的小陶瓷电容来滤除高频杂波。

输出二极管的选择

根据二极管的最大电流、正向压降以及反向压降来选择输出二极管。

因为输出电流需要达到5A,所以本设计采用三个二极管并联且每个二极管的最大电流至少为2A。

二极管的最小反向耐压为：

根据这个参数可以选用HER303，因为HER303的反向电压为200V，最大电流为3A，符合设计要求。

反馈系统的设计

构成的反激开关电源的反馈系统是采用EL817与431二者相配合。具体的拓扑如图9所示。

根据TL431的参考电平2.5V可计算出输出电压Vout：

令Rlower＝1.3K：

取阻值为4.99K的R1。

光耦二极管的电流设置5mA。

具体电流如下：

式子中1V是指光耦二极管的导通电压。

由上可得：

可取1.5K。

结论

本实用新型以PWM集成电路UC3842为核心，通过查阅大量的图文资料设计了一种高频率单端反激式开关电源。通过实验验证输出电压为12.01V,是符合设计要求。关于此设计如何选取此开关电源电路拓扑，如何设计变压器和电感，以及如何设计功率驱动电路、控制电路及保护电路都是通过严格的制作要求来实现。此开关电源的开关器件是采用MOSFET，整个装置的输出电压是通过控制开关器件导通的占空比来规划调整。为了减小电源的体积重量以及在功率调节上实现便捷高效的功能，能进行远程控制也是开关电源的发展前景，因此在电力电子技术革新中，高压功率集成电路的应用和发展得到了世界电子技术的瞩目。这种集成电路开关电源外部电路简单且所用电路元件少，设计巧妙且体积小，加之其安全可靠，因此具有广阔的应用前景，在电子技术的发展上是不可取代的存在。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征及本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。