一种实用新型反激式开关电源

孟天星，张厚升

（山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博255049）

1 引言

在变频器、光伏系统等各种精密的电子系统、电器或仪表中，都广泛采用小功率开关电源。高频开关电源具有效率高、体积小等优点，近年来得到了越来越广泛的应用［1-4］。鉴于反激式变换器具有的特点，如：电路简单，输入和输出可以电气隔离，能高效地提供多路直流输出，输入电压范围较宽，因此反激式变换器广泛地应用于中小功率场合［5］。

单端反激式变换器的工作模式有两种：即电流断续模式和电流连续模式［6-7］。后者比较适合于较小功率；前者的MOSFET开关管的峰值电流相对较小，但副边的二极管存在反向恢复的问题，需要给它设计相应的吸收电路。这两种模式可以按照实际需求来进行选择。

本文以单端反激式变换器为主电路，采用UC3844设计了一种实用、新型的7路输出隔离式开关电源，并详细介绍了新型变压器的设计方法以及UC3844的外围电路设计。

2 设计指标

所设计的实用、新型反激式电源可以应用于多种系统中，可以为芯片、光耦、继电器等提供工作电源，主要技术指标为：输入电压AC 90～250 V（额定工作时为220 V）；输出容量57 W；输出指标20 V/0.5 A（2 路），15 V/0.5 A（2路），12 V/0.5 A，5 V/1 A（2 路），7 路相互隔离；工作频率40 kHz；拓扑类型为单端反激式变换器；效率80%以上。

3 设计方案

基于UC3844 所设计的7 路隔离输出反激式开关电源如图1 所示，图1 中仅给出了2 路20 V输出、1 路5 V 输出的示意图，其余几路输出的结构与此完全相同，在图1 中用78XX 和XXV 进行了简单示意，控制芯片UC3844 的内部框图结构如图2所示，主电路为单端反激式变换器，单相交流输入电压经EMI 滤波器、桥式整流、滤波后供给主电路直流电，同时，通过电阻的分压为控制芯片UC3844 提供开机初始工作电源，系统启动以后，由副边其中的一个反馈绕组为UC3844 持续供电，原供电电路断开，反激式变换器中的开关管采用MOSFET，MOSFET 在UC3844 输出的PWM 脉冲驱动下，将能量由直流侧传递到输出侧［8］。为了吸收变压器的漏感能量，采用并设计了一种使用齐纳钳位管的新型变压器吸收回路，同时为了使系统具有较高的功率因数，设计时采用了电压闭环控制策略，变压器的副边和原边通过光耦隔离，并采用TL431 进行电压的采样，进而可以控制MOSFET的占空比，以满足反激式变换器的各性能指标要求。

图1 基于UC3844的7路隔离输出反激式开关电源原理图Fig.1 Flyback switching power supply schematic based on UC3844

图2 UC3844内部结构框图Fig.2 Internal structure diagram of UC3844

4 反激式变压器与其吸收电路的设计

可以说反激式开关电源的设计，最重要的就是反激式变压器的设计［9-11］，变压器及其吸收回路的设计采用一种新型齐纳管钳位方式，其设计过程如下。

4.1 确定VOR与VZ

当输入最大250 V 电压时，加在反激式变换器上的电压为

在此选用耐压值为600 V 的MOSFET 作为开关管，由于要在输入最大电压VINmax处至少保留30 V 的裕量，所以，漏极电压（即输入电压VIN和齐纳管钳位电压VZ之和）不能超过570 V，因而有：

由此可知：需要选择的齐纳稳压二极管为180 V，进而变压器二次侧端电压VOR可以得到：

4.2 计算绕组匝比

首先计算5 V/1 A 这一输出支路的绕组匝比，考虑二极管的0.7 V正向压降，0.6 V的绕组压降以及后级大约1 V 的调整器压降，可知变压器需提供高于输出电压约3～5 V 的电压值，以保证相应裕量。由此可以计算出匝比：

4.3 计算实际工作占空比

假定将57 W 的输出功率全部都输出在一个相对等效的5 V单输出支路上，由此不难得到5 V输出支路的负载电流为

则

设低输入电压时，系统的效率为70%，根据输入功率

可以得到系统的平均输入电流：

因而可以得到实际工作的占空比：

4.4 计算反激式变压器的一次绕组电感值

计算二次电流的斜坡中心值为

然后计算一次电流的斜坡中心值为

进而可以求出峰值电流，在此选取电流纹波率r=0.5时为

依据此值就可以设定系统的最大电流值。

假定输入为最低输入电压VINmax时，在MOSFET 导通的时间内加在反激式一次侧电感两端上的电压为VON=VIN=127 V，导通时间为

因此系统的伏秒数可以记为

依据“L×I”规则，得到一次电感值为

4.5 选择反激式变压器磁芯

目前常见的磁芯，在材质、外形虽然十分相似，但其磁性能却有极大的差异，设计时我们需要系统、综合地考虑所设计的反激式电源的输出功率、开关频率等因素来选择合适的磁芯。

设计反激式变压器（电感）与特制的或者成品的电感有所不同，需要在设计过程中增加气隙，以此提高磁芯的能量储备能力。如果反激式变压器不开气隙，磁芯一旦存储很少的能量就将会达到饱和。但是如果将气隙开得太大，势必会引起匝数的增加，由此会产生较大的绕组铜损，而且还会使绕组所占据的窗口面积增大，因此需要这种计算与选择，一般可以采用下述的体积公式：

式中，需要注意的是在计算时，f 的单位选kHz。进而就可以开始选择这个体积（或更大）的磁芯了，在本设计中，选择EE36/22 型磁芯，它的等效长度为le=7.74 cm，磁芯面积为Ae=1.39 cm2，其体积满足设计要求。

4.6 确定各个绕组的匝数

利用适合于所有拓扑的匝数求解公式：

式中：BPK为磁通密度的变化，一般情况下BPK≤0.3T。

那么一次绕组匝数可以求得：

匝数在此取整为117 匝。

5 V输出支路的绕组匝数：

对匝数取整，取为8 匝，则每一匝绕组上承担的电压值为Vn=8/8=1 V。于是可以求得12 V 输出支路的绕组匝数为

同理可以求得20 V支路的绕组匝数为23 匝，15 V支路的绕组匝数为18 匝。

4.7 确定变压器气隙大小

确定变压器气隙大小时须要考虑到所用材料的磁导率，磁导率和电感值LP满足：

其中

式中，z为气隙系数，注意z的取值不能小于1（无气隙），z的较好取值在10～20之间，这是一个比较好的折中。

由此不难求得气隙的长度：lg=0.28 mm。

4.8 反激式变压器的绕制

变压器在绕制时要注意耦合的紧密，以便最大程度地减小漏感。设计时可以采用三明治绕法。在绝缘方面设计时需要考虑，线圈的绝缘一定要选用抗电强度较高、介质损耗较低的复合纤维绝缘纸，从而可以提高次级绕组、初级绕组之间的绝缘强度以及抗电晕能力。为了保证变压器的绝缘要求，在变压器绝缘设计时采用整体灌注的方法。

5 基于UC3844的控制电路设计

5.1 控制芯片UC3844的外围引脚电路的设计

引脚7（VCC）是UC3844 的 供 电 电 源 端，UC3844 工作的开启电压一般为16 V，在欠压锁定门限电压下限为10 V，上限工作电压为34 V，设计中设定20 V 给UC3844供电，并用一个20 V的稳压二极管进行稳压，为了滤波，并联1 只10 μF/50 V 的铝电解电容器，开始时UC3844 由此支路供电，系统正常工作后由副边的反馈绕组供电，反馈绕组的参数计算同其他支路一样设计。为防止输出侧较高电压倒灌使稳压二极管烧坏，在反馈绕组和稳压管处串接了二极管。

引脚3 为Isense 端（即电流检测比较器的输入端），该引脚接电压或者电流的检测信号，也可以把闭环调节器的给定信号接入该引脚，本文设计的电源就是采用这种接法，而后和前级误差放大器的输出（反相端）进行比较，比较结果作为脉宽调制的一路输入信号。

引脚4（RT/CT）外接振荡器产生电路，产生UC3844 工作所需的频率，所设计的电源开关频率为40 kHz，可以根据公式f=1.8/CTRT选取电阻与电容，为了产生Isense 端（引脚3）的给定信号，在此将CT设计成2 个电容CT1与CT2的串联形式。使CT2上能产生0～1 V 的锯齿波，以便满足引脚3的要求。由于UC3844属于峰值电流控制行的芯片，经过这样的改进与设计以后，可以使系统具有更高的功率因数。

引脚6（OUT端）产生的PWM驱动信号经20 Ω的限流电阻后接MOSFET，并用一个15 V 的稳压管进行钳位。引脚8（Vref）为内部参考输出，可以为光耦提供一个5 V 的偏压，引脚1（COM 端）和引脚2（VFB）分别为UC3844内部误差放大器的输出端、反相输入端，构成电压外环的调节器。

5.2 电压反馈环路的设计

设计中采用TL431对误差电压进行反馈，同时将误差电压放大，驱动PC817（线性光耦），PC817得到的反馈电压输入到芯片的内置误差放大器（即引脚1 和引脚2），从而可以即时调整MOSFET的开通与关断。

TL431的阳极和参考端接稳定的2.5 V电压，如果输出电压突然增大，经电阻分压后得到的电压采样值就会超过2.5 V，流过TL431的电流也就会相应增大，它的阴极电压也就会下降，光耦PC817的原边二极管就会发光，从而传递到副边，使得MOSFET的导通时间减少，就可以使得输出电压降低，达到闭环控制的效果。

另外，并接在TL431两端的电容可以有效地减小误差放大器的高频增益，在LED 两端并接1个1 kΩ的电阻可以保证LED 在导通时电流能够从0开始逐渐的增加。

6 实验验证

根据前述的分析与设计，研制了1 台试验样机，并对其进行了性能测试，图3 给出了采样电阻上的电压波形和MOSFET 漏源极间的电压波形，从图3 中可以看出电路工作于断续模式，图4 给出了采样电阻上的电压波形和驱动脉冲的波形，从图4 中可以看出，占空比基本维持在0.2左右，幅值20 V。分别对各路输出进行测试，各路纹波电压基本都小于±0.5%，系统效率约为84%，可以在宽电压范围内输出稳定的电压。

图3 采样电阻电压和漏源电压Fig.3 Waveforms of sampling resistor voltage and drain-source voltage

图4 采样电阻电压和驱动脉冲波形Fig.4 Waveforms of sampling resistor voltage and driving pulse

7 结论

本文设计了一种新颖的反激式开关电源，该电源具有7 路隔离输出，能够满足诸多系统的供电要求，结合设计指标，详细设计了一种变压器及其绕组吸收回路，着重对吸收回路齐纳钳位管的选取、绕组匝比、实际占空比、一次绕组电感值的计算、反激式变压器磁芯的选择、各绕组匝数的计算、变压器气隙大小的计算以及绕组的绕制方式等问题进行了详细的分析与设计。并对控制芯片UC3844 的外围电路和反馈回路进行了设计，57 W 的样机试验结果表明：所设计的7 路隔离输出反激式开关电源结构简单、稳压性能好，纹波小，达到了预期的设计要求，而且所设计的电源能够在较宽的输入电压范围内长期稳定的工作。

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