高频控制节能型开关电源电路设计与探究

陈金如，龚姝婷，杨慧清，龚火根

（江西农业工程职业学院 331200）

0 引言

随着超大规模集成电路的高速发展和新型微电子半浮栅晶体管器件的出现，尤其是微处理器和半导体存储器的开发利用，孕育了新一代电子开关电源产品；显然，体积大而笨重的稳压电源已经过时，取而代之的是小型化、重量轻、高效率和节能环保型隔离式开关电源。

随着电子技术的不断发展，在70年代，集成化的开关电源就已被广泛地应用于电子计算机、彩色电视机、卫星通信设备、精密仪表等电子设备。到了80年代，功率在50W以上就具有竞争力了。随着开关电源性能的改善，到80年代后期，电子设备的消耗功率在20W以上，就要考虑使用开关电源了。进入21世纪，开关电源在继续研究小型、轻便和高效率的开关电源中，又增添了我们不能回避的环境保护重大课题；开关电源除了必须研究高效和节能的技术以外，还必须研究电源组件回收再利用的课题。

1 高频节能开关电源电路研究的目的及意义

1.1 研究的目的：随着社会文明的进步、我国经济的高速发展，人类已经进入了电子工业化时代，并转入高新技术产业迅猛发展的时期，电源是供电设备不可缺少的部件，是工业发展的基础。本论文的目的就是在查阅以往开关电源相关资料的同时，掌握开关电源的内部结构和相关原理，学习怎样设计小功率开关电源的方法，为以后从事相关事业打下基础，开阔视野，从而提高自身的能力。

1.2 研究的意义：高新技术均与电源的电压、电流、频率、相位和波形等基本技术参数的变换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效处理，因此，电源技术不但本身是一种高新技术，而且还是其它多项高新技术的发展基础。电源技术的进一步发展必将为大幅节能、降低耗材以及提高效率提供重要的手段，并为现代电子工业生产和现代生活带来深远的影响。

2 新型高频开关型电源的发展趋势

新型高频开关型电源的发展趋势可以归纳以下几点：

（1）小型化、轻量化、薄型化、高频化、节能型是高频开关型电源的主要发展趋势。

（2）提高集成可靠性，增加保护功能，拓宽输入电压范围，提高无故障时间。

（3）随着频率的提高，高频开关型电源的噪声随之增大，降低噪声提高环保也是高频开关电源的研究方向。

（4）提高节能开关电源装置和系统的电磁兼容性(EMC)。

（5）用软件进行辅助设计和控制，具有四高（高效、高精度、高经济性、高可靠性）优点，可以使高频开关型电源具有最佳电路结构与最佳工作状态。

电子开关电源高频化的实现，与磁性元件和半导体功率器件的发展状况有着密切的关系。隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。它使交流电源高效率地产生多路经调整的稳定直流电压。

3 隔离式高频开关电源

隔离式开关电源的变换器具有多种形式。主要分为半桥式、全桥式、推挽式、单端反激式、单端正激式等。

隔离式开关电源基本功能方框图，RFI滤波器整流滤波高频开关元件高频变压器输出整流滤波PWM控制逻辑辅助电路(图1）

隔离式开关电源的方框图工作原理说明：在图1中，交流电压经过整流、滤波电路变成含有一定脉动电压成分的直流电压，然后进入高频变换部分。高频变换部分的核心是有一个高频功率开关组件，为了调节输出电压，使得在输入交流和输出负载发生变化时，输出电压能保持稳定，我们采用一个叫做脉冲宽度调制器(FWM)的电路，通过对输出电压采样，并把采样的结果反馈给控制电路，控制电路把它与基准电压进行比较，根据比较结果来控制高频开关组件的开关时间比例(占空比)，达到调整输出电压的目的。

4 高频开关电源的总体设计

4.1 主电路的选择

高频开关型电源电路的组成，主要电路是由输入电磁干扰滤波器、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出电路等组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出过欠压保护电路、输出短路保护电路等。

本设计为小功率高频节能型开关电源，选用单端反激式电路，而单端反激式功率范围可以达到要求，因为反激式开关电源中的变压器起着电感和变压器的双重作用，反激式变换器只需要滤波电容的选择，而不需要滤波电感的选择，由于它是电感，在开关电源中必然具有电感的一般规律，在电路中具有电流连续，临界连续和断续三种工作模式，且电路结构不是很复杂。

4.2 控制电路的选择

选用集成芯片UC3842控制电路：采用电流模式脉宽调制控制器UC3842芯片，这个芯片可推挽或单端输出，工作频率可为1--500KHz，输出电压可达30V,内设有5V的电压基准，死区时间可以调整，输出的电流可达几百至几千mA，驱动能力还是较强。UC3842芯片内部有一个误差比较器，一个振荡器和一个电流比较器，一个锁存器和逻辑控制单元，一个互补功率放大输出单元，一个欠压保护电路，一个标准的参考5V电压和其它一些辅助电路。电流比较器可用于过流保护，电压比较器可设置为闭环控制，调整速度快，用UC3842芯片作为小功率开关电源的PWM的控制是很方便的它可以直接驱动双极管，MOSFET和IGBT具有管脚少（8只引脚），外围电路比较简单、安装和调试都比较方便、性能且优良、价格也合理。

4.3 电路图结构及工作原理

4.3.1 高频开关电源电路图结构

图1 隔离式开关电源的方框图

图2 高频开关电源电路图

4.3.2 电路工作原理说明

图2是由UC3842构成的单端反激式开关电源电路，220V市电由C1、L1 滤除电磁干扰，负温度系数的热敏电阻Rt1 限流，再经VC 整流、C2 滤波，电阻R1、电位器RP1 降压后加到UC3842 的供电端（⑦脚），为UC3842 提供启动电压，电路启动后变压器的付绕组③④的整流滤波电压一方面为UC3842 提供正常工作电压，另一方面经R3、R4 分压加到误差放大器的反相输入端②脚，为UC3842 提供负反馈 电压，其规律是此脚电压越高驱动脉冲的占空比越小，以此稳定输出电压。④脚和⑧脚外接的R6、C8 决定了振荡频率，其振荡频率的最大值可达500KHz。R5、C6用于改善增益和频率特性。⑥脚输出的方波信号经R7、R8 分压后驱动MOSFEF 功率管，变压器原边绕组①②的能量传递到付边各绕组，经整流滤波后输出各数值不同的直流电压供负载使用。电阻R10 用于电流检测，经R9、C9 滤滤后送入UC3842的③脚形成电流反馈环.所以由UC3842 构成的电源是双闭环控制系统，电压稳定度非常高，当UC3842 的③脚电压高于1V 时振荡器停振，保护功率管不至于过流而损坏。

5 结论

本课题设计的任务是面向开关电源应用的工程项目。通过对高频节能控制开关电源电路的基本理论分析，设计出一种实用的新型开关电源，使得充电模块的重量更轻、体积更小、效率和安全可靠性更高。经过课题组将近一年的研究和反复实验，我们完成了高频节能控制开关电源型电路系统的总体设计，通过实验调试，主电路和控制电路的设计参数完全符合要求，这就为高频控制开关电源电路的研制提供了一种切实可行的方案。

[1]侯振义.直流开关电源技术及应用.北京：电子工业出版社,2006.4

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