仪器仪表专用反激式高频开关电源的研制

朱金芳， 卜树坡

(1.浙江工业职业技术学院电气工程系，浙江 绍兴 312000；2.黑龙江科技学院电气与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨 150027)

随着电力电子器件的飞速发展，开关电源正向着小型化、轻型化、集成化的方向发展，在仪器仪表上开关电源表现得更加突出。早期的开关电源大多采用电压型脉宽调制技术，而随着电流型脉宽调制技术的发展，其在负载响应和线性调整度等方面性能更优，目前的中小功率开关电源更多采用电流控制模式。电流控制型开关电源的主要组成部分是反激式直流变换器。反激变换器具有电路简单、成本低、输入输出电气隔离、稳压范围宽、易于多路输出等优点[1]。

本文介绍了一款基于UC3842集成电路的65 W反激式高频开关电源的整机电路设计。TI UC3842是一种电流控制方式的脉宽调制集成电路。采用UC3842设计中低功率开关电源，可使整机电路结构简单，并具有安装调试简便、成本低、体积小等优点[2－3]。

1 总体设计方案

1.1 设计要求

该电源主要应用于医疗、通讯、交通等领域的仪器仪表上，由于其应用场合的特殊性与重要性，电源应满足性能优越且稳定可靠，在保证良好输入输出性能的同时，尽量地减小体积，简化结构，提高集成度。

1.2 UC3842 PWM集成控制器

单端反激式电源一般由PWM控制芯片、功率开关管和高频反激变压器组成，但反馈控制回路设计和变压器设计要求较高。采用PWM控制器和MOSFET功率开关一体化的集成控制芯片是新一代开关电源设计的重要特点和趋势。

开关电源主要由主回路和控制回路两大部分组成。主回路是将交流电网的电能传递给负载电路，控制电路则是按输入输出条件控制主回路工作状态的电路，将控制回路集成化即成为开关电源集成控制器。

开关电源集成控制器一般采用脉宽调制型（PWM）。PWM早期多为电压型，缺点是瞬态响应不好，国外最新生产的电流型控制器，其特点和功能均优于电压型控制器。

UC3842是新型单端隔离电流型PWM集成控制器，图1为UC3842的内部电路框图。UC3842的主要性能是：内有可调整的充放电震荡电路，可精确地控制占空比。振荡器的工作频率由引脚4外接的定时电容和电阻确定。采用电流操作，可在500 kHz下工作。内有5 V精密基准电压，具有完备的欠压、过压及过流保护。启动电压阈值为10 V，6 V启动与关闭电压差值可有效地防止电路在阈值电压附近工作时产生振荡。利用输入端设置的34 V稳压管能有效地防止高压造成的损坏。电流传感和限制电路简单灵敏，可采用回路接电阻或电流互感器对电流取样送至引脚3，当3脚电压低于3 V时，脉宽调制器处于正常工作状态，当3脚电压等于或高于1 V时，电流传感比较器输出高电平，将PWM锁存器复位使输出关闭。若故障消失，下一个时钟脉冲列将使PWM锁存器自动复位。PWM锁存器的作用是保证每一个振荡周期仅出现一个控制脉冲，可有效防止噪声干扰。输出平均电流为200 mA，最大电流可达1 A。

图1 UC3842内部电路框图

1.3 65 W反激式高频开关电源的电路设计与分析

在高频开关电源功率转换电路中，单端变换器与双端变换器的本质区别在于：单端变换器的高频变压器磁心只工作在第一象限（即处于磁滞回线的一边）。单端变换器有单端正激式变换器和单端反激式变换器两种类型。在电源功率等级低于75 W时，适合采用反激式变换器[4-8]。

由UC3842组成的65 W反激式高频开关电源的整机电路如图2所示。

图2 65 W反激式高频开关电源整机电路

开关电源电路中，C301、C302组成共振滤波电路，用于滤除差模干扰，可滤除两电源线间的非对称共模干扰。LF101和LF102用于衰减共模干扰。RTH101为热敏电阻，其冷电阻很小，热电阻则较大。C103用于滤除二频调制干扰，与变压器T1初级绕阻N1并联的R102和C104以及与场效应管Q101并联的C105和R103都是用于滤除反向尖峰电压。

交流220 V电压经整流滤波变成300 V左右的直流电压，直接启动UC3842和开关电源工作。开关电源开始工作后，反馈绕阻上的感应电压经整流后再向UC3842电路供电。在振荡器所产生脉冲的控制下，当控制脉冲为上升沿时，该脉冲信号由UC3842的6脚输出，经过R109为开关功率管Q101提供栅极偏流，使场效应管Q101导通，变压器T1蓄积能量，通过电容C202，C203给负载供电；当控制脉冲为下降沿时，场效应管Q101的栅极电压下降，漏极电流减小，Q101迅速截止，直到下一个脉冲从上升沿来到时，Q101才重新导通，如此周而复始，感应电势向电容C202、C203和负载供电。反馈绕阻产生的电压经整流滤波后为UC3842提供工作电压和取样电压。变压器T1的输出绕阻则产生输出负载电压。由于开关功率管Q101和肖特基二极管Q201的导通状态是相反的，因此本开关电源是一种反激式变压器隔离型开关电源。R104为开关功率管Q101的漏极电流检测电阻，检测电流转换为相反的电压，该电压经R106和C106构成的滤波器滤波后送至UC3842的3脚。此信号与芯片内误差放大器输出信号送至PWM比较器的两个输入端，产生调制脉冲。

1.4 保护电路

该电路的保护原理如下：因某种原因引起过大电流，开关功率管Q101的漏极电流将增加很多。R104上的电压增加，3脚的正常电压为0.3 V，当3脚电压增加到超过1 V时，UC3842片内的PWM比较器输出高电平，使PWM锁存器复位，关闭输出，6脚无输出电压，Q101截止，从而保护了电路。若输入交流电压超过规定值，UC3842无法调节占空比，变压器绕阻电压增大，引起UC3842的7脚电压增高，则2脚电压随之增高，从而关闭输出。如果输入交流电压低于规定值，UC3842的1脚电压降低，正常时为3.4 V，当1脚电压降到1 V以下时，片内PWM比较器输出高电平，使PWM锁存器复位，关闭输出，从而起到了电路保护作用。

1.5 整机特性参数

(1)输入特征

额定电压为输入交流电压200～240 V；输入电压范围为176～264 V；额定频率为单相交流电源50 Hz或60 Hz；电源工作频率应为47～63 Hz；冲击电流为输入220 V/50 Hz交流电，负载最大且在25℃冷启动时，冲击电流应小于70 A；稳定交流电流为在220 V/50 Hz输入时进行测量，额定负载时最大稳态输入电流应小于0.8 A；输入220 V/50 Hz电压时进行测量，空载时输入功率应小于4.5 W；在220 V/50 Hz输入时对效率进行测量，在额定负载时包括电缆损失效率至少应为80%；功率因数校正是在220 V/50 Hz输入时功率因数应校正成大于0.4 W；线性调整率为±1%；负载调整率为±1%。

(2)输出特征

额定输出电压应约为24 V；电源可在规定条件下连续提供65 W的输出功率；输出电流为0～2.7 A；输入交流电压220 V时能输出峰值负载电流5 A持续1 s；输出纹波和噪音为输出纹波噪声小于峰值（240 mV）；在规定工作条件下电源是绝对稳定的；输出保持时间是在电源开关断开后，仍能保持恒定输出电压的时间应大于20 ms；当输出端子发生短路时，电源的输入功率应小于6 W；过电压范围为27～32 V；过电流范围为8～12 A。

2 实验结果

通过样机实验，图3给出了满载和轻载时开关管的工作波形，可以看出开关电源在输入一定、输入突变、输出额定三种情况下，满载和轻载的性能良好。

图3 不同条件下场效应管Q101的工作波形

为了测试该开关电源的工作状况，通过样机实验，测试了不同输入电压(包括输入电压突变)工况下的整机性能。实验结果如下：(1)输入220 V输出额定时，场效应管Q101的工作波形如图3(a)所示。开关电源在额定负载时工作稳定，满载性能良好；(2)输入220 V输出20%时，场效应管Q101的工作波形如图3(b)所示。开关电源在轻载时，仍能保持稳定工作，轻载性能优越；(3)输入突变(200～240 V)在额定负载时，场效应管Q101的工作波形如图3(c)所示。开关电源的满载特性能承受输入电压突变时的考验；(4)输入突变(200～240 V)在输出20%时，场效应管Q101的工作波形如图3(d)所示。开关电源的轻载特性同样能承受输入电压突变时的考验；(5)输入200 V输出额定时，开关电源的保持时间如图3(e)所示。开关电源的满载保持时间大于20 ms，符合设计要求；(6)输入突变 (200～240 V)在输出20%时，场效应管Q101的工作波形如图3(f)所示。开关电源的轻载保持时间大于20 ms，符合设计要求。

3 结论

本设计以电流型PWM控制芯片UC3842为核心搭建的反激式高频开关电源为研究对象，通过观察和分析不同输入输出情况下满载和轻载的工作波形，说明电源性能优越且稳定可靠，能够满足仪器仪表的需要，具有很好的应用前景。

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