基于改进启动回路的反激式开关电源设计

1 前言

开关电源具有高效率、低功耗、体积小、重量轻等显著优点，现已成为稳压电源的主流产品。本文以电流型PWM控制芯片UC3844B设计了一种高效的单端反激式、4路隔离输出的辅助电源系统,并针对传统启动回路中直流母线侧能量浪费的缺点，设计了一种新型控制芯片启动回路。实验结果表明，设计的单端反激式开关电源具有良好的工作性能，改进型启动电路能够有效缩短启动时间，提高了电源效率。

2 UC3844B芯片介绍

UC3844B是一种高性能固定频率电流模式的PWM控制集成电路芯片。该集成电路的特点是：具有震荡器、温度补偿参考、高增益误差放大器、电流取样比较器和大电流图腾柱输出，是驱动功率MOSFET的理想器件。其内部结构及管脚图如图1所示[1]。

图1 UC3844B内部结构及引脚图

具有8脚双列直插封装的UC3844B芯片各引脚功能如下：1脚(COMP)是误差放大器的输出端，用于环路补偿;2脚(UFB)是误差放大器的反相输入，通常通过一个电阻分压器连接至开关电源输出;3脚(ISEN)是电流取样端，通常在功率开关管的源极串联一个小电阻作取样电阻，当取样电阻上的电压超过给定值时，UC3488B就关闭输出端;4脚(RT/CT)是振荡器，该引脚是外部定时电阻RT与定时电容CT的公共端，通过将电阻RT连接至8脚Vref以及电容CT连接至地，使振荡器频率和最大输出占空比可调，工作频率可达500kHz;5 脚(GND)是控制电路和电源的公共地;6 脚(OUT)是推挽输出放大器的输出端，该输出可直接驱动功率MOSFET的栅极，具有拉电流和灌电流的双向驱动能力，峰值电流高达1.0 A。 7脚(Vcc)是电源输入端;8脚(Vref)是参考输出引脚，它经过电阻RT向电容CT提供充电电流[2]。UC3844B还包括过压、欠压保护电路，当供电电源电压低于10V时，芯片停止工作。

3 开关电源原理及设计

3.1 开关电源的工作原理

开关电源的工作原理图如图2所示[3]。刚启动时UC3844B所需的+16V工作电压由R2、C3电路提供。220V交流电经桥式整流和电容滤波，得到+300V直流高压，在经R2降压后接U2的7脚，利用C3的充电过程使U2逐渐升至+16V以上，从而实现启动。当开关电源转入正常工作后，辅助绕组上的高频电压经过VD2、C4整流滤波，作为芯片的工作电压。UC3844B属于电流控制型PWM，初级绕组上的电流在电流检测电阻R10上建立的电压，加至电流检测比较器的同相端，与反相端的误差电压作比较，进而控制输出脉冲的占空比。考虑到开关功率管关断的瞬间，高压变压器的漏感会产生尖峰电压，现利用TVS、D5、R3、C2组成吸收回路，对开关功率管起保护作用。电压反馈回路主要由稳压芯片TL431、光耦PC817A构成，反馈信号由+5V输出端取得，通过TL431的稳压与光耦的隔离作用后，送入UC3844B的电压反馈引脚，控制输出电压的稳定。

图2 开关电源原理图

3.2 高频变压器设计

单端反激式变压器的技术参数如下：工作频率f=50kHz;开关电源变压器的最高和最低输入电压分别Umax=375V; Umin=120V最大工作占空比为Dmax=50%;整流二极管的正向压降VFVD=0.6V;输出4路隔离电压分别为：+5V/3A, ±5V/1A, 24V/0.5A。

(1)计算初级峰值电流

初级电流峰值Ipk:

(1)

式中：P0为变压器输出功率;η为变压器效率，通常取0.8。

(2)计算初级电感

一次侧电感LP：

(2)

(3)选择变压器磁芯

磁芯的选用采用AP法，可按下式计算：

(3)

通过上式计算，并留出足够的功率余量，我们选择EI30型变压器磁芯。

(4)计算初、次级绕组匝数

初级绕组：

(4)

式中：Ae为有效磁通面积;Aw为最大磁通密度。

次级绕组：

(5)

经过式(5)的计算可知：+5V输出的次级绕组匝数为5匝;±15V输出的次级绕组匝数为14匝;+24V输出的次级绕组匝数为22匝。

(5)计算气隙长度

变压器的气隙长度由下式确定：

(6)

3.3 尖峰电压吸收电路设计

功率MOSFET管在关断时会在变压器初级绕组上产生尖峰电压和反射电压，加上直流侧的高压，很容易损坏功率MOSFET管，这就必须加入箝位电路来箝位[4]。本设计中采用反向击穿电压为200V的瞬态电压抑制器P6KE200和反向耐压为 1 kV的RS1M型超快恢复二极管,同时采用RC阻容吸收回路，以减少尖峰电压。

3.4 改进的启动电路设计

如图3(a)所示，传统启动回路采用齐纳二极管DZ限制控制芯片UC3844的启动电源的给定，当控制芯片处于稳定工作状态时，直流母线侧的电流依然流经启动电路，造成不必要的能量损失。

图3 传统启动电路与改进启动电路的对比

为此，提出了一种改进的启动电路设计，如图3(b)所示。初始阶段，三极管Q导通，

直流母线电压Vi通过R16对电容C4充电，同时直流母线电压Vi通过电阻R15对电容C18充电，Vb处的电压最终稳定在如下电压：

Vb=12+Vi*R2/(R15+R2) (7)

由于R15□R2，可以简单的认为Vb≈12V。由于控制芯片UC3844的启动和关断电压为16V和10V,为了使Q能够在系统稳定工作后关断，必须满足以下条件：

(8)

三极管Q关断后，控制系统进入稳定的工作状态，芯片UC3844由反馈绕组进行供电，直流母线电流不在流经启动电路，大大减小了损耗。

4 实验结果及分析

按照上面的分析，设计了基于UC3844B的多路单端反激式开关电源。主要参数如下：开关频率f=50kHz，直流输入电压波动为120V□375V，直流多路输出电压为+5V/3A, +15V/1A， +24V/0.5A。图4是传统启动电路和改进启动电路的启动电压波形比较图。

由图可以看出，当启动电压达到16V时，UC3844B便进入稳定的工作状态，并最终稳定在12V。通过比较可以看出，传统的控制策略需要0.4s使其启动电压达到16V,而改进的控制策略仅仅需要0.1s，减小了启动时间，提高了控制效率。

图5是开关电源分别在轻载和重载的情况下，一次侧的峰值电流和MOSFET的驱动电压波形。由图可以看出，MOSFET的调整周期大约为22μs,即频率约为45kHz，占空比约为40%，满足设计要求。通过对比还可以看出，轻载时开关电源工作在不连续模式下，一次侧电流从零开始增加;重载时开关电源工作在连续模式下，一次侧电流未通过零点，有一定的起始值。

图4 传统和改进启动电路的启动电压波形比较图：(a)传统启动电路;(b)改进的启动电路

图5 不同负载下的初级电流和触发脉冲波形： (a)轻载;(b)重载

5 结论

本文采用电流型脉宽调制芯片UC3844B，设计了一种单端反激式多路隔离输出辅助电源系统，并对其启动电路进行了改进。实验结果表明，改进的启动电路启动时间明显缩短，大大减小了能量浪费，同时开关电源工作稳定，满足设计要求，具有一定实用性。

参考文献

[1] 马洪涛，沙占友，周芬萍.开关电源制作与调试[M].北京：中国电力出版社，2010.

[2] 程海龙，李玉忍，梁波.基于UC3842的电源变换器 设计[J].电源技术，2011，(35):720-722.

[3] 咸庆信.变频器使用电路图集与原理图说[M].北京：机械工业出版社，2009.

[4] 吴国平，杨仁刚，杜海江.一种基于NCP1014的反激式开关电源设计研究[J].电力电子技术，2010,(44)：78-50.

[5] Liang Cheng, Yunyue Ye, Zhou Zheng. Design of Improved Single Phase Flyback Switching

Power for PMSM Drive System[J]. IEEE Transaction on IE, 2011.

作者简介

李大鹏(1988-) 男，山东济宁人，硕士研究生，研究方向为电力电子及其电气传动。■