1. 引言
随着现代电子设备对高效、小型、轻量化电源的需求不断增加,反激式开关电源作为一种高效、可靠、适应性强的电源形式,越来越广泛地应用于计算机、通信、工业控制、航空航天、医疗等领域。开关电源是一种将电能转换为所需电压或电流输出的电源,其工作原理是通过开关元件周期性地开关,将输入电压转换为高频脉冲信号,再经过滤波,调节等环节得到稳定的输出电压或电流 [1] 。反激式开关电源是一种常用的设计,常用于小型化设计和小功率场合。
目前,对反激式开关电源的研究主要集中在小型化、高可靠性、低电磁干扰以及探索新型拓扑结构和控制策略等方面。文献 [2] 将开关电源反馈回路的补偿设计与控制理论相结合,通过补偿网络来保证系统输出的稳定,选用反激变换器,设计多个输出端,输出稳定且范围可调;文献 [3] 针对目前对电路效率要求越来越高,基于UC3842设计了一款AC-DC开关电源,设计电路具有纹波小、效率高的优点。
反激式开关电源中常用的PWM控制器UC3842芯片,以其精密的电压稳定和高效的电源控制而备受关注。本文利用UC3842电流型脉宽调制芯片设计了一种开关电源,旨在稳定输出电压的同时,防止原边电流过高。通过调节可调电阻的参数,可以实现对输出电压的调节。
2. 开关电源基本工作原理
开关电源是利用开关变换器作为关键元件,采用闭环自动控制来保持输出电压稳定的电源 [4] 。开关电源的总体设计框图如图1所示,电路主要有输入整流滤波电路、功率开关管、高频变压器、输出整流滤波电路、PWM控制电路及电压反馈电路等部分构成 [5] [6] [7] 。
![](//html.hanspub.org/file/100-2570955x7_hanspub.png?20230601100106924)
Figure 1. Block diagram of switching power supply system
图1. 开关电源系统框图
主要工作原理如下:输入整流器将交流电压转换为脉动的直流电压,然后由平滑电容器过滤以去除交流纹波。开关管随后快速开关以生成高频方波,该方波馈送到变压器。变压器按需升压或降压,输出整流器将高频交流电压转换回可用于供电负载的直流电压。通过控制开关管导通、关断时间,从而达到稳压的目的 [8] [9] 。
开关电源输入输出参数如表1所示:
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Table 1. Input and output parameters of switching power supply
表1. 开关电源输入输出参数
开关变换器采用反激式拓扑结构,该结构的核心元件是MOS管和高频变压器。其拓扑结构图如图2所示。通过调节MOS管的导通/关断时间,可以实现输出恒定电压。
(a) MOS管导通状态
(b) MOS管关断状态
Figure 2. Flyback switching power supply topology structure
图2. 反激式开关电源拓扑结构
3. 电路设计与参数选择
3.1. 整流滤波电路设计
电路中的交流电通过桥式整流电路变为直流电,并经过C组成的滤波电路,最终输出约310 V的直流电,整流滤波电路如图3所示。
3.2. 功率变换电路
功率变换电路是开关电源变换的主要组成部分,包括高频变压器和RCD钳位电路。高频变压器用于将输入的直流高压转换成所需的电压和电流等级,而RCD钳位电路则用于限制开关管的电压和电流,保证开关管正常工作并防止过电压和过电流等危险情况发生。
在功率变换电路中,直流高压被斩波调制,这意味着输入信号的大小和方向会被不断地切换,以便实现所需的输出。这种技术被广泛应用于各种电子设备中,例如计算机、手机、电视等等,能够有效地将高压直流电源转换成适合设备使用的低电压直流电源。
电路原理图如图4所示,其提供了电路中各个组成部分的连接方式和信号传输路径。
![](//html.hanspub.org/file/100-2570955x11_hanspub.png?20230601100106924)
Figure 4. Schematic diagram of power conversion circuit
图4. 功率变换电路原理图
3.2.1. 变压器设计
变压器是一种利用互感现象来传递能量或信号的器件,可以将输入信号的电压、电流和功率等参数转换为所需的输出参数。本文中,变压器的主要作用是隔离输入和输出,并实现电压变换。设计一款单路输入双路输出的变压器,为了提高仿真时间,工作频率选择50 KHz,输出电压为直流24 V,变压器原副边和辅助绕组的匝数分别是50、4、3。
通过这样的变压器参数设置,输入的高电压直流信号可以被变换成需要的低电压直流信号,同时也实现了输入输出之间的隔离。
3.2.2. RCD钳位电路
RCD钳位电路在反激式开关电源设计中起到抑制MOS管压力上升、限制MOS管开关过程中产生的高峰电压和电流的作用。在MOS管关闭的瞬间,由于负载电感分流产生的高电压会形成压力波,而RCD钳位电路可以将这个电压波形变为缓慢上升的斜坡形状,从而减小压力波对开关管的冲击,保护开关管不受损坏。
RCD钳位电路由电阻、电容和二极管组成,其中电容用来滤波、限制电压上升速度,电阻用来消耗能量,二极管用来保护MOS管。
3.3. PWM控制电路设计
本设计采用UC3842作为PWM控制芯片,图5是其内部结构图。
![](//html.hanspub.org/file/100-2570955x12_hanspub.png?20230601100106924)
Figure 5. Internal structure diagram of UC3842
图5. UC3842内部结构图
UC3842集成电路是一种在开关电源电路中驱动MOS管的理想器件,包括一个集成振荡器、误差放大器、取样电流比较器、PWM锁存器和图腾柱输出电路。
UC3842集成电路具有电流反馈和电压反馈双闭环控制的特点,可以通过调整输入电压和电流的变化,实现电源电压和电流的稳定输出。此外,UC3842集成电路具有高电压调整率和负载调整率,可以快速响应输入信号的变化,从而保持输出信号的稳定性。
UC3842集成电路的PWM锁存器可以将误差信号转换成脉冲宽度调制(PWM)信号,通过控制MOS管的通断时间,实现对输出信号的调节。UC3842集成电路还具有图腾柱输出电路,可以提供多种输出信号的选择,适用于不同的应用场景。
综上所述,UC3842集成电路是一种功能强大、特性优异的器件,广泛应用于开关电源、逆变器、电机控制等领域。它可以通过双闭环控制和PWM技术,实现对输出信号的高精度控制和稳定输出。
UC3842各个引脚及其功能表2所示:
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 2. UC3842 pins and their functions
表2. UC3842引脚及其功能
其中,VS+引脚是用于连接电源电压输入的引脚;VREF引脚是连接参考电压输入的引脚,用于设置输出电压的基准值;RT/CT引脚可以用作外部时钟输入,或用于内部振荡器的调节;COMP引脚是误差放大器的输出引脚,用于控制PWM的占空比;SENSE引脚是连接电流传感器的输入引脚,用于实现电流限制保护;VFB引脚是用于连接反馈电路的输入引脚,用于控制输出电压;GND引脚是地线引脚;OUT引脚是输出引脚,可以控制开关管的开关状态。
3.4. 反馈检测电路设计
图6是电路反馈检测电路原理图,该电路采用TL431和线性光耦构成外部误差电压放大器,以达到稳压的目的。
已知TL431参考输入端电流约为2 uA,为了避免电流影响分压比和消除噪声,通常取流过电阻R3的电流为参考输入端电流的100倍以上可得:
(1)
其中,参考输入电压Uref = 2.5 V。选择标称值R3 = 3.3 kΩ,根据TL431的特性可以计算出R5。
(2)
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Figure 6. Schematic diagram of feedback detection circuit
图6. 反馈检测电路原理图
选择标称值R5 = 2.1 kΩ,由式(3)可得R4 = 18 kΩ。
(3)
已知TL431工作电流Ika范围为1~150 mA,当Uka在最低工作电压条件下(
),
,可得
(4)
选择标称值
。通常情况下,线性光耦的电流传输比CTR范围为0.8~1.6,当CTR取0.8时,流过发光二极管的最小电流为
(5)
其中,线性光耦三极管集–射级电流ICE经验值为7 mA,由式(5)可得
(6)
其中,发光二极管的正向压降UD = 1.2 V。由于发光二极管所能承受的最大电流为50 mA,因此
(7)
综上所述,选择标称值R1为1 kΩ。
4. 开关电源Multisim仿真
本文选择Multisim仿真来验证开关电源的可行性。仿真电路图如图7所示。
![](//html.hanspub.org/file/100-2570955x24_hanspub.png?20230601100106924)
Figure 7. Multisim simulation circuit
图7. Multisim仿真电路
电路在仿真运行中,输入交流电压为220 V,频率为50 KHz (为了加快仿真速度),振幅为311 V。经过整流滤波后,输入电压被转换为直流高压,其电压值大约为310 V。整流前后电路的波形图如图8所示。
![](//html.hanspub.org/file/100-2570955x25_hanspub.png?20230601100106924)
![](//html.hanspub.org/file/100-2570955x26_hanspub.png?20230601100106924)
Figure 8. Waveform diagram before and after rectification filtering
图8. 整流滤波前后波形图
由图9可知,输出电压约3 ms即可达到稳定的24 V直流输出。
(a) 信号发生器占空比波形
(b) 输出电压波形
Figure 9. Multisim simulation results
图9. Multisim仿真结果图
通过式(3),可以得到,通过改变可调电阻R4和R5的阻值,结合变压器原副边的匝数比可以得到想要的输出电压,例如想要得到稳定的12 V输出,只需将匝数比由50:4:3改变为50:2:3,并将R4和R5的阻值由18 kΩ,2.1 kΩ调节成6 kΩ和1.6 kΩ。其输出电压波形如图10所示。
通过添加一个10 K滑动变阻器来观察负载变化对输出电压的影响,图11表示滑动变阻器满载的时候,输出电压约为24 V;图12表示输出电压从满载到零时,输出电压的变化,可以看到输出电压会降低但在0.05 ms即可恢复到24 V。
这个10 K滑动变阻器的作用是用来模拟负载的变化对输出电压的影响,以便测试开关电源在不同负载下的性能表现。通过调节10 K变阻器的阻值,可以模拟不同的负载情况,观察输出电压的变化情况,并调整电路参数以保持稳定的输出。
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Figure 11. Duty cycle waveform of UC3842 at full load with 10 kΩ load
图11. 10 kΩ负载满载时UC3842的占空比波形
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Figure 12. Duty cycle waveform of UC3842 from full load to 0 with 10 kΩ load
图12. 10 kΩ负载由满载到0时UC3842的占空比波形
UC3842芯片的占空比波形图反映了开关电源在不同负载下的工作状态。在负载变化时,UC3842芯片会自动调整PWM信号的占空比,以保持稳定的输出电压。在实际应用中,通过控制PWM信号的占空比,可以实现对输出电压的精确控制,以满足不同应用的需求。
通过图11和图12可以看出,即使不带负载转变到带负载,输出电压也可以很快保持稳定,具有很好的稳压效果。
5. 结论
本文介绍了一种反激式AC-DC开关电源的总体设计方案,该方案采用TL431和线性光耦构成反馈检测电路,将反馈信号传递给PWM控制电路,从而形成闭环回路。通过采用UC3842芯片驱动MOS管的高频开和关,实现将220 V交流电压转换为24 V直流电压,输出电压在约3 ms内即可达到稳定。通过使用Multisim电路仿真软件对电路进行建模和仿真,验证了设计的正确性,为反激式开关电源的开发和设计提供了理论依据,并且具备一定的实际应用价值。