单端反激式开关电源电路级和电压反馈环的设计

摘要：与工频变压器相比，开关电源具有新型高效以及节能的优点，其代表着稳压电源的发展方向。Unitrode公司推出的UC3843系列控制芯片是电流型PWM控制器的典型代表。由于开关电源使用单端或双端输出脉宽调制，从而省去了笨重的工频变压器，因此，能够制成几瓦到几千瓦的电源。

关键词：开关电源 反激变换 电路级 电压反馈环

电是工业的动力，是人类生活的源泉。电源是产生电的装置，表示电源特性的参数有功率、电压、电流、频率；在同一参数要求下，又有重量、体积、效率和可靠性等指标。用电一般都需经过转换才能合适使用的需要，例如交流转换成直流，高电压变成低电压，大功率变换小功率等。

电子设备随着电子技术的迅速发展已经广泛应用于各个领域，但是设备对电源的要求也越来越高。由于传统性电源笨重且效率低，从而严重影响了电子设备和电子产品的发展。

反激变换器之所以能够广泛应用于小功率开关电源产品中，是因为其具有电路简单、输入输出电压隔离、成本低以及空间要求少等优点。为了进一步提高变换器的效率从而实现高效率高功率密度以及低成本的要求，可以在反激变换器中应用同步整流技术，因此，研究反击同步整流变换器具有实际工程应用价值。

1 单端反激式开关电源控制原理

在线性电源中，线性电源的稳压是以牺牲调整管上的耐压来维持的，功率晶体管工作在线性模式，因此调整管的功耗成为了线性稳压电源的主要损耗。开关电源的功率与线性稳压电源所不同的是具有开关导通和截至两种状态。由于在导通时，电压低，电流大；在关断时电压高，电流小，因此，无论在哪种状态下加在功率开关上的伏安乘积（即功率器件上功率开关的损耗）总是很小。不同于线性稳压电源，开关电源更为有效的电压控制方式是PWM Pulse Width Modulation控制方式，就是对脉冲的宽度进行调制的技术即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，然后通过滤波电路来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）。但是由于等幅脉冲多受开关电源控制，因此，开关电源的控制器能够对脉冲的占空比进行调节。当输入电压被斩成交流方波，其输出幅值就可以通过高频变压器来升高或降低。通过改变高频变压器的二次绕组个数就可以改变电压的输出路数。最后这些交流脉冲波形经过整流滤波后就得到所需的直流输出电压。

用状态空间平均法建立状态空间平均模型单端反激式变换器如图1所示，它有连续和断续两种工作状态，即恒压状态和恒流状态，也就是能量不完全传递方式和能量完全传递方式。

2 开关电源电路级设计

具体电路模块设计，分析其工作状态，对系统设计整体架构，根据设计电源的功能要求和性能指标来完成各原理、计算和选取电路参数的设计。

图2所示为单端反激式开关电源实物主电路，首先电源的输入端给出41-57V的直流电压，C3电容是一个滤低频的电容，R2是一个启动电阻，通过R2的电压电流接到集成芯片UC3843的7管脚上，当MOSFET导通时，启动电流为1mA的电流带动集成芯片。然后在接入一个RC回路，RC吸收回路的作用，一是为了对感性器件在电流瞬变时的自感电动势进行钳位，二是抑制电路中因dv/dt对器件所引起的冲击，在感性负载中，开关器件关断的瞬间，如果此时感性负载的磁通不为零，根据楞次定律便会产生一个自感电动势，对外界辞放磁场储能，为简单起见，一般都采用RC吸收回路，将这部份能量以热能的方式消耗掉。

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2.1 RC吸收回路

RCD缓冲电路可以有效的吸收这种由漏感引起的电压尖峰，其电路原理如图3所示。当Vds超过Vin+nV0时，缓冲电路中的二极管Dsn开通，RCD缓冲电路吸收漏感器的电流。如果Csn足够的大，其上的电压在一个开关周期内几乎是不变的。当MOSFET关断时，Vds被充电到，Vin+nV0原边电流经过缓冲二极管Dsn流到缓冲电容中Csn，同时二次侧二极管开通。

2.2 UC3843集成芯片

图4所示为UC3843控制芯片管脚图。1管脚为补偿端口，2管脚为电压反馈输入端口，3管脚为电流取样输入端口，4管脚为RT/CT端口，5管脚为接地端口，6管脚为输出端口，7管脚为电源VCC，8脚为5V参考。

UC3843作为一种高性能固定频率电流模式控制器，专门为离线和直流至直流变换器应用而设计，因此，能够为设计人员提供只需最少外部元件就能获得较高成本效益的解决方案。UC3843是专门为低压用户应用设计的，低压锁定门限是8.5V（通）和7.6V（断）。电流取样比较器和大电流图腾柱式输出，是驱动功率MOSFET的理想器件。

3 电压反馈环的设计

3.1 电压反馈模块

虽然电压反馈环的设计电压反馈电路具有基本反馈电路、改进型基本反馈电路、配稳压管的光耦反馈电路和配TL431的精密光耦反馈电路四种基本类型，但是由于本设计对于电压调整率和负载调整率具有较高的要求，因此，采用了配TL431的精密光耦反馈电路，如图5所示。此电路之所以能够对输出电压进行调整，那是由于其采用TL431型可调式精密并联稳压器代替稳压管，从而构成了外部误差放大器。该电路的电路虽然比较复杂，但是却具有极好的稳压性。对于多路输出的单片开关电源而言，不仅能够把主输出作为主要的反馈信号，最重要的是其他各路辅助输出能够按照一定比例反馈到TL431的2.5V基准端，这对于提高多路输出式开关电源的整体稳定性具有重要的意义。

3.2 电流反馈环的模块

通过电流检测电阻，电流环能够将开关管的电流转化为电压反馈信号，与电压控制环检测的电压比较后产生PWM波，从而对输出电压进行控制。选定电流取样电阻后，需要通过一个L型的RC低通滤波网络，将这个采样信号送给UC3843的电流比较器。L型RC低通滤波网络的上限截止频率如图6所示。

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根据低通滤波器的对数幅频特性可知，当输入信号频率低于fh时，输出和输入信号几乎完全相同；当大于fh时，输出信号就会大幅度衰减。

利用示波器能够对Rs采样电阻上的信号频率进行测量，因此，在保证Rs电阻上正常采样电压不被滤波器衰减的情况下选择低通滤波器的RC参数。

如果在设计开关电源的过程中没有选择合适的RC参数，就会由于滤波器的上限截止频率fh偏小而导致Rs采样信号的衰减，当增大负载时，由于PWM无法调大控制脉冲的占空，最终导致变压器由于负载过重而发生啸叫。为了解决这个问题，可以减小滤波电容C的取值从而提高fh，这样开关电源在加重的负载下也能够很好的稳压，从而不会出现以上问题。

专为离线式直流变换电路设计的UC3843作为一种高性能的固定频率电流型脉宽集成控制芯片，适合做20W-80W的小型开关电源，其具有的电压调整率可达0.01%；工作频率高达50kHz；启动电流低于1mA以及外围元件少等优点。其适应工作于0℃-70℃的环境中，最高输入电压和最大输出电流分别为30V和1A，能够有效驱动双极型功率管和MOSFET。

此电路的工作原理为：加在Rin上以及降压后加在UC3843引脚7上的直流电压能够为芯片提供大于16V的启动电压，当芯片起动后，维持芯片正常工作的电压是由反馈绕组提供的。单端反激变压器T1的反馈绕组产生的反馈电压随着输出电压的升高而升高，经过R1和R3的电压组成的大分压网络可将分压送入UC3843的引脚2，经与基准电压比较且经误差放大器放大后，能够减小UC3843引脚6的驱动脉冲占空比，从而降低了输出电压而达到了稳定输出电压的目的。

4 结论

能源问题成为目前社会较为关注的节能问题，希望设置出更多的可再生能源，在应用中具有低成本、体积小、携带方便、可靠性高的特点。改进RC吸收回路UC3843电流集成芯片，使其功能更加全面，用途更加广泛；设计的小电源携带方便，实用、成本低适合大多数人设计。

参考文献：

[1]董海鹰，李晓青，李坦.单端反激式开关电源反馈回路的补偿控制[J].电源技术，2013（4）.

[2]胡志强，王改云，王远.多路单端反激式开关电源设计[J].现代电子技术，2013（7）.

[3]赖松，李玲，李洋涛.基于FSDM0565R反激式开关电源的设计[J].科技致富向导，2012（1）.

[4]邵骉.基于UCC3802的开关电源设计[J].价值工程，2012（23）.

作者简介：

王显维（1959-），男，辽宁彰武县人，本科，工程师，研究方向：电气工程、工业自动化。