隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展,,功率器件也不斷更新,,PWM技術(shù)的發(fā)展也日趨完善,開關(guān)電源正朝著小,、輕,、薄的方向發(fā)展。由于反激變換器具有電路拓撲簡單,、輸入電壓范圍寬,、輸入輸出電氣隔離、體積重量小,、成本低,、性能良好、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點,,被廣泛應(yīng)用于實際變換器設(shè)計中,。以前大多數(shù)開關(guān)電源采用離線式結(jié)構(gòu),,一般從輔助供電繞組回路中通過電阻分壓取樣,該反饋方式電路簡單,,但由于反饋不是直接從輸出電壓取樣,,沒有與輸入隔離,抗干擾能力也差,,所以輸出電壓中仍有2%的紋波,,對于負載變化大和輸出電壓變化大的情況下響應(yīng)慢,不適合精度較高或負載變化范圍較寬的場合,。下面的設(shè)計采用可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431配合光耦構(gòu)成反饋回路,,達到了更好的穩(wěn)壓效果。
1 UC3844芯片的介紹
UC3844是美國Unitrode公司生產(chǎn)的一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制器芯片,,由該集成電路構(gòu)成的開關(guān)穩(wěn)壓電源與一般的電壓控制型脈寬調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓電源相比具有外圍電路簡單,、電壓調(diào)整率好、頻響特性好,、穩(wěn)定幅度大,、具有過流限制、過壓保護和欠壓鎖定等優(yōu)點,。其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
該芯片的主要功能有:內(nèi)部采用精度為±2.0%的基準電壓為5.00V,具有很高的溫度穩(wěn)定性和較低的噪聲等級,;振蕩器的最高振蕩頻率可達500kHz,。內(nèi)部振蕩器的頻率同腳8與腳4間電阻Rt,、腳4的接地電容Ct的關(guān)系如式(1)所列,,即
其內(nèi)部帶鎖定的PWM(Pulse Width Modulation),可以實現(xiàn)逐個脈沖的電流限制,;具有圖騰柱輸出,,能提供達1A的電流直接驅(qū)動MOSFET功率管。
2 電源的設(shè)計及穩(wěn)壓工作原理
單端反激變換器,,所謂單端,,指高頻變壓器的磁芯僅工作在磁滯回線的一側(cè),并且只有一個輸出端,;反激式變換器工作原理,,當加到原邊主功率開關(guān)管的激勵脈沖為高電平使MOSFET、開關(guān)管導(dǎo)通時,,整流后的直流電壓加在原邊繞組兩端,,此時因副邊繞組相位是上負下正,使整流二極管反向偏置而截止,,磁能就儲存在高頻變壓器的原邊電感線圈中,;當驅(qū)動脈沖為低電平使MOSFET開關(guān)管截止時,,原邊繞組兩端電壓極性反向,使副邊繞組相位變?yōu)樯险仑?,則整流二極管正向偏置而導(dǎo)通,,此后儲存在變壓器中的磁能向負載傳遞釋放。
圖2中MOSFET功率開關(guān)管的源極所接的R12是電流取樣電阻,,變壓器原邊電感電流流經(jīng)該電阻產(chǎn)生的電壓經(jīng)濾波后送入UC3844的腳3,,構(gòu)成電流控制閉環(huán)。當腳3電壓超過1V時,,PWM鎖存器將封鎖脈沖,,對電路啟動過流保護功能;UC3844的腳8與腳4間電阻R16及腳4的接地電容C19決定了芯片內(nèi)部的振蕩頻率,,由于UC3844內(nèi)部有個分頻器,,所以驅(qū)動MOSFET功率開關(guān)管的方波頻率為芯片內(nèi)部振蕩頻率的一半;圖3中變壓器原邊并聯(lián)的RCD緩沖電路是用于限制高頻變壓器漏感造成的尖峰電壓,。變壓器副邊整流二極管并聯(lián)的RC回路是為了減小二極管反向恢復(fù)期間引起的尖峰,。MOSFET功率管旁邊的RCD緩沖電路是為了防止MOSFET功率管在關(guān)斷過程中承受大反壓。緩沖電路的二極管一般選擇快速恢復(fù)二極管,,而變壓器二次側(cè)的整流二極管一般選擇反向恢復(fù)電壓較高的超快恢復(fù)二極管,。
電路的反饋穩(wěn)壓原理:(輸出電壓反饋電路如圖4所示),當輸出電壓升高時,,經(jīng)兩電阻尺R6,、R7分壓后接到TL431的參考輸入端(誤差放大器的反向輸入端)的電壓升高,與TL431內(nèi)部的基準參考電壓2.5 V作比較,,使得TL431陰陽極間電壓Vka降低,,進而光耦二極管的電流If變大,于是光耦集射極動態(tài)電阻變小,,集射極間電壓變低,,也即UC3844的腳1的電平變低,經(jīng)過內(nèi)部電流檢測比較器與電流采樣電壓進行比較后輸出變高,,PWM鎖存器復(fù)位,,或非門輸出變低,于是關(guān)斷開關(guān)管,,使得脈沖變窄,,縮短MOSFET功率管的導(dǎo)通時間,于是傳輸?shù)酱渭壘€圈和自饋線圈的能量減小,,使輸出電壓Vo降低,。反之亦然,總的效果是令輸出電壓保持恒定,不受電網(wǎng)電壓或負載變化的影響,,達到了實現(xiàn)輸出閉環(huán)控制的目的,。
此設(shè)計中,輸出電壓通過兩電阻分壓并經(jīng)TL43 1的內(nèi)部誤差放大器后,,經(jīng)過光耦接UC3844的誤差放大器的腳1,,而反向輸入端腳2直接接地,輸出電壓反饋直接聯(lián)接到腳1,,而不是腳2,,略過了UC3844的內(nèi)部誤差放大器,這使得電源的動態(tài)響應(yīng)更快,,因為放大器用作信號傳輸時有一定的傳輸時間,,輸出與輸入并不是同時建立,不用UC3844內(nèi)部誤差放大器,,把反饋信號的傳輸縮短了一個放大器的傳輸時間,,從而電源的動態(tài)響應(yīng)更快。
3 電源的參數(shù)設(shè)計及損耗分析
3.1 變壓器原邊電感設(shè)計
3.1.1 MOSFET開關(guān)管工作的最大占空比Dmax
式中:Vor為副邊折射到原邊的反射電壓,,當輸入
為AC 220V時反射電壓為135V,;
VminDC為整流后的最低直流電壓;
VDS為MOSFET功率管導(dǎo)通時D與S極間電壓,,一般取10V,。
3.1.2 變壓器原邊繞組電流峰值IPK
變壓器原邊繞組電流峰值IPK為
式中:η為變壓器的轉(zhuǎn)換效率;
Po為輸出額定功率,,單位為W,。
3.1.3 變壓器原邊電感量LP
式中:Ts為開關(guān)管的周期(s);
LP單位為H,。
3.1.4 變壓器的氣隙lg
式中:Ae為磁芯的有效截面積(cm2),;
△B為磁芯工作磁感應(yīng)強度變化值(T);
Lp單位取H,,IPK單位取A,,lg單位為mm。
3.2 變壓器磁芯
反激式變換器功率通常較小,,一般選用鐵氧體磁芯作為變壓器磁芯,其功率容量AP為
式中:AQ為磁芯窗口面積,,單位為cm2,;
Ae為磁芯的有效截面積,單位為cm2,;
Po是變壓器的標稱輸出功率,,單位為W;
fs為開關(guān)管的開關(guān)頻率;
Bm為磁芯最大磁感應(yīng)強度,,單位為T,;
δ為線圈導(dǎo)線的電流密度,通常取200~300A/cm2,,
η是變壓器的轉(zhuǎn)換效率,;
Km為窗口填充系數(shù),一般為0.2~0.4,;
KC為磁芯的填充系數(shù),,對于鐵氧體為1.0。
根據(jù)求得的AP值選擇余量稍大的磁芯,,一般盡量選擇窗口長寬之比較大的磁芯,,這樣磁芯的窗口有效使用系數(shù)較高,同時可以減少漏感,。
3.3 變壓器原副邊匝數(shù)
3.3.1 變壓器原邊匝數(shù)NP
式中:△B為磁芯工作磁感應(yīng)強度變化值(T),,
Ae單位為cm2,
Ts單位為s,。
3.3.2副邊匝數(shù)Ns
式中:VD為變壓器二次側(cè)整流二極管導(dǎo)通的正向壓降,。
3.4 功率開關(guān)管的選擇
開關(guān)管的最小電壓應(yīng)力UDS
一般選擇DS間
關(guān)鍵字:UC3844 反激穩(wěn)壓電源 設(shè)計 分析
3.5 變壓器損耗
3.5.1 繞組銅耗計算
繞組電阻值R為
式中:MUT為平均每匝導(dǎo)線長度(cm),;
N為導(dǎo)線匝數(shù),;
為20℃時導(dǎo)線每cm的電阻值(μΩ)。
繞組銅耗PCU為
原,、副邊繞組電阻值可通過式(10)求出,,當求原邊繞組銅耗時,電流用原邊峰值電流IPK來計算,;求副邊繞組銅耗時,,電流用輸出電流Io來計算。
3.5.2 磁芯損耗
磁芯損耗取決于工作頻率,、工作磁感應(yīng)強度,、電路工作狀態(tài)和所選用的磁芯材料的性能。對于雙極性開關(guān)變壓器,,磁芯損耗PC為
式中:Pb為在工作頻率,、工作磁感應(yīng)強度下單位質(zhì)量的磁芯損耗(W/kg);
Gc為磁芯質(zhì)量(Kg),。
對于單極性開關(guān)變壓器,,由于磁芯工作于磁滯回線的半?yún)^(qū),所以磁芯損耗約為雙極性開關(guān)變壓器的一半,。
變壓器總損耗為總銅耗與磁芯損耗之和,。
4 實驗結(jié)果及波形
實驗具體參數(shù)要求如下:輸入單相AC 220V(180~240V),,輸出電壓為24V,輸出額定功率為72W,,開關(guān)頻率為20kHz,。
實驗結(jié)果如表1所列。圖5為AC 220V輸入且滿載時MOSFET功率管驅(qū)動波形及電流檢測電阻端電壓波形,,圖6為220V輸入時滿載輸出電壓波形,,圖7為AC 220V輸入時MOSFET功率管的DS極間電壓波形。
從表1及波形可以看出輸出電壓平均值為24V,,電壓調(diào)整率小于0.1%,,負載調(diào)整率最大為0.4%??梢?,UC3844的腳6產(chǎn)生的方波直接驅(qū)動MOSFET功率管,實現(xiàn)了PWM控制,。此設(shè)計電源的穩(wěn)定性能較高,,但從波形看出電流檢測電阻端電壓波形有尖峰,說明MOSFET功率管開關(guān)瞬間對變壓器還有一定的沖擊,。
5 結(jié)語
電流控制型PWM芯片UC3844是一種高性能的固定頻率電流型控制器,,可以產(chǎn)生PWM脈沖直接驅(qū)動MOSFET功率管,并具有外圍電路簡單,、安裝與調(diào)試方便,、性能優(yōu)良等優(yōu)點。本文提出了使用UC3844,、TL431及光耦等構(gòu)成的單端反激開關(guān)電源,,直接從輸出電壓進行反饋,且電壓反饋直接接UC3844內(nèi)部誤差放大器的輸出端,。該設(shè)計輸出與輸入隔離,,反饋回路動態(tài)響應(yīng)快,穩(wěn)壓控制精度高,,比較適合用于小功率變換器的設(shè)計中,。