基于UC3842的反激式开关电源的设计与仿真

基于UC3842的反激式开关电源的设计与仿真华南理工大学电力学院冯自成摘要：反激式开关电源由于纹波小、体积小、效率高等诸多优点占据着小功率开关电源的大部分市场。本文基于UC3842芯片设计了一款反激式开关电源，详细分析了主电路的工作原理、控制电路的设计以及保护电路的设计等，最后在开关电源仿真软件saber中搭建了仿真模型，验证了设计的正确性。关键词：反激；开关电源；UC3842；反馈电路ABSTRACT:Flybackswitchingpowersourceoccupiesmostofthemarketoflowswitchingpowersourceduetothesmallripple,smallsize,highefficiencyadvantages.ThispaperdesignsaflybackcircuitbasedontheUC3842chip,detailedlydescribestheworkingprincipleofthemaincircuit,thedesignofthecontrolcircuitandprotectioncircuit.Finallyasimulationmodelwasbuiltinsabersoftwaretoverifythecorrectnessofthedesign.KEYWORDS：flyback；switchingsource；UC3842；feedback0引言随着开关电源技术的飞速发展，近年来开关稳压电源正朝着小型化、高频化、集成化的方向发展,高效率的开关电源得到越来越多的重视[1]。单端反激式变换器因其电路简单可以高效提供直流输出等许多优点,特别适合用于小功率的开关电源的设计。开关电源的控制可以分为电压型控制和电流型控制，相比单闭环控制的电压型控制，双闭环电流控制具有不可比拟的优点，因此被广泛采用[2]。本文采用电流型脉宽控制芯片UC3842设计了一款开关电源。UC3842是Unitorde公司（后被TI收购）生产的一种开关电源芯片，在工业生产中被广泛采用。它采用双闭环控制，不但可以使输出端电压保持稳定，而且可以防止原边电流过高，除此之外还集成了内部欠压锁定电路、过压保护电路，输出频率可以根据应用的需要进行调节，可以应用于500KHz频率以下的小功率开关电源中，设计人员只需要提供很少的外接电路就可以完成电路设计[3]。1反激电路的工作原理开关变换器是指利用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变为另一种形态的主电路[4].反激式开关电源是开关变换器的一种，其主电路如图1所示。由于变压器同名端在一侧，故输出电压上负下正。当驱动信号为高电平时，开关管导通，电压源给原边电感充电，电感电流线性上升，直到开关管关断时刻，原边电流达到最大值。开关管导通期间，由于二极管承受反向电压，副边没有电流通过。当驱动信号为低电平时，开关管关断，副边二极管承受正向电压开始导通，给电容充电，同时电容通过电阻放电。电容电压为上负下正。开关管导通时，原边电流1ppVtILi其中，pi为原边电流，V为原边电压，pL为原边电感，1I为原边初始电流。当开关管关断时，原边电流达到最大值max1ppVDTIIL，其中D为占空比，T为开关周期。开关管关断时，储存在变压器原边的能量通过副边负载释放，副边电流线性下降：maxpopsssNVtiINL其中，si为副边电流瞬时值，pN为变压器原边匝数，sN为变压器副边匝数，oV为输出电压，sL为副边电感。图1反激电路原理图反激式变换器有两种工作模式，一种为连续工作模式，一种为非连续工作模式。在下一个周期的驱动信号来临前，变压器副边电感中的电流已经降低为0，这种工作模式成为电流非连续工作模式。如果在下一个周期的驱动信号来临前，变压器副边电感中的电流没有降低为0，此种工作模式成为电流断续模式。处于连续模式和断续模式之间的是临界模式，此种状态下，当下一个周期信号来临时，电感电流刚好减少为0.为了避免变压器磁芯饱和，通常设计变压器工作在非连续工作模式。反激式变换器主要有以下特点[5]：（1）高频变压器一次绕组的同名端与二次绕组的同名端极性相反，一次绕组非同名端和开关管的驱动端共地，一次绕组的同名端接电压源的正端。（2）高频变压器相当于一个储能电感，在开关管导通时变压器储存能量，在开关管截止时，将能量传给二次侧。（3）可在连续模式下或非连续模式下工作。（4）可以构成直流输入端的变换器，也可以构成交流输入的AC/DC变换器。（5）输出电压低于或高于输入电压取决于高频变压器的匝数比。（6）增加二次绕组和相关电路可以获得多路输出。（7）反激式变换器一般不需要在输出整流二极管与滤波电容之间串联低频滤波电感。2UC3842的工作原理UC3842是一种高性能、单端输出、频率可调的电流型PWM调制器，最大的优点是外接元件少、外围线路简易、价格低，广泛应用于工业产品中的开关电源。UC3842主要特点有：①振荡器的频率控制较精确，可微调；②电流工作模式频率可达500KHz；③自动前馈补偿功能；④闭锁PWM，逐周电流限制；⑤内置参考源，可欠压锁定；⑥大电流图腾柱输出，最大可达1A；⑦带滞后的欠压锁定；⑧启动、工作电流门槛较低。UC3842内部原理图如图2所示图2UC3842内部原理图由图示可以看出，UC3842一共有8个引脚，其各个引脚的功能分别为：①脚是误差放大器的输出端，外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性；②脚是反馈电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的2.5V基准电压进行比较，产生误差电压，从而控制脉冲宽度；③脚为电流检测输入端，当检测电压超过1V时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态；④脚为定时端，内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定，f=1.72/(RT×CT)；⑤脚为公共地端；⑥脚为推挽输出端，内部为图腾柱式，上升、下降时间仅为50ns驱动能力为±1A；⑦脚是直流电源供电端，具有欠、过压锁定功能，芯片功耗为15mW；⑧脚为5V基准电压输出端，有50mA的负载能力。UC3842内部存在两个控制环路，一个采样电压反馈给误差放大器，跟基准电压2.5V比较产生误差放大电压信号，一个是变压器初级电流在采样电阻sR上产生的采样电压，与误差放大器的输出电压比较产生调制PWM的脉冲信号，由于误差信号实际控制原边峰值电流的大小，故UC3842为电流型PWM调制器[6].图3UC3842工作时序图图3是UC3842工作时的时序图。TR、TC产生的充放电波形经过振荡器整形后变成方波信号，充电时振荡器输出低电平，放电时为高电平。在TC充电过程中，RS触发器置位脚S=“0”，若采样电阻Rs上的电压低于输出绕组反馈补偿输出电压(经过误差放大器)，使RS触发器复位脚R=“0”，此时Q输出低电平“0”，UC3842输出高电平Q1导通；当采样电阻电压高于反馈补偿输出电压时，RS触发器复位R=“1”，此时触发器翻转，Q输出高电平“1”经过或门后，UC3842输出低电平，Q1截止。截止后采样电阻电压低于输出绕组反馈补偿输出电压，RS触发器复位R=“0”，此时触发器处于输出保持状态，Q1仍旧截止。当TC开始放电时，RS触发器置位脚S=“1”，此时触发器置位，则Q输出低电平“0”，但是经过或门后，或门输出为“1”，此时Q1仍旧截止。当下一个充电状态开始时，RS触发器置位脚S=“0”，R此时也为“0”，触发器保持输出状态，Q输出低电平“0”，此时经过或门后，Q1开始导通。通过以上UC3842的正常工作状态的描述，可以看出，电流采样电阻电压和输出绕组反馈电压共同决定了Q1开关状态[7]。3电路参数设计电路参数的设计对于电路能否正常工作至关重要。如果电路参数设计得不合适，电路将不能工作或者工作在故障状态。因此电路参数的设计是任何电路设计的重中之重，也是本文设计的重中之重。本文设计了一个DC-DC式开关电源，其指标如下：输入：85-265V交流电压输出：12V，2A开关频率：50KHz电源效率：70%最大占空比：0.43.1整流电路的设计开关电源的输入是市电，需要通过滤波以及整流环节得到直流电压作为反激式电源的输入。图4所示整流电路原理图。220V交流电通过桥式整流电路的整流以及电容C1的滤波得到约310V的直流电。图4整流电路原理图实际电路运行过程中，由于各种原因会产生电磁干扰，因此需要在市电和整流桥之间添加双向滤波电路，在避免电网对电源造成的同时也避免了电源对电网造成的干扰。图5所示为电磁干扰滤波电路原理图，其中C1、C2用来抑制差模干扰，L、C3、C4用来抑制共模干扰，具体的选取规则可以参考表1进行.图5电磁干扰滤波电路表1电感量与额定电流的关系额定电流/A136101215电感量/mH8-232-40.4-0.80.2-0.30.1-0.150.0-0.08由于仿真电路中模型比较理想化，不存在共模干扰和差模干扰，故在仿真模型搭建过程中省略了电磁干扰滤波电路。3.2启动电路的设计本文设计了供电绕组给UC3842供电，但是在电路达到稳态以前，供电绕组无法给芯片供电，因此需要设计启动电路。常规的做法是采用阻容串联电路提供启动电压，等到电路达到稳态后，由供电绕组供电。图4为阻容供电电路。由图4可知，电源通过r1对电容c2充电，当电容电压到达16V以后，芯片启动。此后由于电阻r1提供的电流不足以使芯片正常工作，电容c2上电压下降到14V，即供电绕组电压，芯片由供电绕组供电。为了使电路正常工作，当电容电压达到16V以后，充电电流必须大于启动电流且小于UC3842的工作电流，图6启动电路原理图即：116stworkVIIr当电阻不满足上述条件时，芯片可能无法启动或者电容电压持续上升导器件损坏。3.3变压器设计变压器承担着能量传递、电压调整、隔离绝缘三大重任，因此变压器的设计是主电路设计的重中之重，变压器设计的好坏决定了电路工作的性能好坏。本文设计的变压器工作频率为50KHz，输入直流电压为120-375V，输出为12V、2A。由于电流连续模式容易导致磁芯饱和，因此本文设计的变压器工作在电流断续状态。首先确定电路的输出功率,设供电绕组的电压为14V，电流为50mA,则有：OP122W+140.05W=24.7W输入功率：24.735.290.7oinPWWP根据变压器的工作功率可以选择相应的变压器磁芯，查表可知应选择EE28作为变压器的磁芯，其截面积eA=772mm，窗口面积282.6wmmA。当输入电压最小时，占空比最大，输入电流平均值最大。因此，变压器的最大输入平均电流：maxmin35.290.2941120inininPAAIU原边电流最大值，即电流变化值：maxmax220.29411.47050.4inIIAAD根据原边电流最大值可以选择限流电阻，当UC3842芯片3脚电压超过1V的时候，芯片将会输出低电平管段开关管，因此：11110.681.4705rI由于电路中存在谐波污染，需要加阻容滤波电路滤除谐波，根据UC3842手册可取滤波电阻1k，滤波电容470p。开关管导通时，有：minpindiULdt因此原边电感：maxmin41200.46.53101.470550000inpsUDHHLIf原边匝数：466.53101.4705620.27710ppeILNBA（匝）反射电压：maxminmax1200.480110.4inORUDVVVD根据反射电压与原边副边匝数比的关系，可得：806.151121PORsONVNV故副边匝数：6210.08106.15sN供电绕组匝数：1411011.5312121powerN原边电流有效值：0.41.47050.5433prmsDIAAI取电流密度24/JAmm，则有24prmsdJI440.540.413.144prmsIdmmmmJ50KHz下集肤深度为：767