基于UC3845的单端反激AC-DC充电器的研究

0 引 言

电力电子技术的快速发展使得形式多样的电子产品朝着便携式和小型轻量化的方向发展，也使得更多的电气化产品是基于蓄电池的供电系统而设计。工业上需要一种铅酸蓄电池充电装置，它既能为柴油发电机组的蓄电池充电，也能为汽车的蓄电池充电。在高压高磁的恶劣环境下，它能稳定持续的给蓄电池充电，并且能够自动检测蓄电池电量，在蓄电池容量饱和时，适当减小充电电流，使蓄电池能够快速稳定的充满电，从而保护蓄电池寿命［1］。因此，本设计目的在于使这个充电器能在电磁干扰、机械振动的恶劣的环境下有效稳定持续的工作。

开关电源与一般线性电源的不同：线性电源的电压反馈电路是工作在线性（放大）状态，开关电源是作用于电压调整的管子，工作在饱和与截止区，即开关状态。线性电源一般是将输出电压取样后，与参考电压一起送入比较电压放大器，此电压放大器的输出作为电压调整管的输入，用以控制调整管使其结电压随输入的变化而变化，从而调整其输出电压。而开关电源是通过改变调整管的开和关的时间即改变占空比来改变输出电压的。

目前市场上现有的AC-DC模块的输入电压一般只有几十伏，国外最高的也只有380 V，因此，需要对这种AC-DC模块进行研制。在各种AC-DC变换电源中，因为单端反激式开关电源对多路输出的负载有较强的自动均衡能力，因此本课题是基于UC3845的单端反激AC-DC充电器的设计。

1 系统设计

本课题所研究的AC-DC开关电源是专为工业发电机组的蓄电池充电而设计，它通过核心器件UC3845来调整输出脉冲的宽度，从而控制开关器件导通和截止，以达到使电路输出稳定电压电流的目的。其原理图如图1所示。

此开关电源工作原理：充电过程中当输出电压有变化时，TL431内部参考电压也随之增大或减小，导致流过TL431的电流增大或减小，于是，光耦CNY17发光加强或减弱，感光端得到的反馈电压也随之变大或减小，UC3845在接受这个变大或减小的反馈电压后，与其内部的基准电压进行运算比较，减小或增大占空比，即减少或增大MOSFET的开关时间，使输出电压也随之改变。基于该原理可以将开关电源的研究内容分成三个模块：输入模块、驱动反馈模块、输出模块。其中驱动反馈模块为核心部分。

图1 开关电源原理图

图2 单端反激式拓扑电路

2 主要运用的三种技术

2.1 单端反激式技术

单端反激式开关电源是指变压器只有一个原边绕组，且电流方向不改变，利用原边电流关断时，原边产生的反激电压向负载输出电流。反激式（Fly-back）电路拓扑是最基本的功率变换电路结构之一，因结构简单、元器件数量少和设计方便等优点而广泛应用于电视机、DVD和充电器等小功率电器的电源中［2］。反激变换器工作原理与Boost电路相似，可以看作隔离式Boost电路，在开关管导通时变压器原边电感储能，关断时能量经副边输出传递给负载。图2为单端反激式电路拓扑结构。

（1）单端反激式电路原理

当开关管Q导通，原边绕组接通直流高电压电源，副边由于整流二极管承受反向电压而截止，原边电流Ii随时间线性增加，开关管导通时间越长，电流越大，变压器储能越大；当开关管Q关断，原边电流Ii迅速回0，副边反激电压使整流二极管导通，变压器向负载输出电流，变压器储能下降［3］。

（2）反激式变压器的优点［4］

反激式变压器的优点有：

a.电路简单，能高效提供多路直流输出，因此适合多组输出要求；

b.转换效率高、损失小；

c.变压器匝数比值较小；

d.输入电压在很大的范围内波动时，仍可有较稳定的输出，目前已可实现交流输入在85～265 V间，无需切换而达到稳定输出的要求。

2.2 电压电流双闭环控制

UC3845管脚手册中的1脚为电压反馈补偿端，2脚为电压反馈输入端，3脚为电流反馈输入端。

电压反馈电路是通过输出电压的变化，而引起光电耦合器PC817上的电流变化，从而去控制UC3845，调节占空比，达到稳定输出电压的目的。

从原理图中可知，当场效应管导通时，整流电压加在变压器T初级绕组Np上的电能变成磁能储存在变压器中，在场效应管导通结束时，Np绕组中电流达到最大值Ipmax，根据法拉第电磁感应定律：

式中，E为整流电压；Lp为变压器初级绕组电感；Ton为场效应管导通时间。

在场效应管关闭瞬间，变压器次级绕组放电电流为最大值Ismax，若忽略各种损耗应为：

式中，n为变压器变比，n＝Np／Ns，Np、Ns为变压器初、次级绕组匝数。

高频变压器在场效应管导通期间初级绕组储存的能量与场效应管关闭期间次级绕组释放的能量相等：

式中，Ls为变压器次级绕组电感；Uo为输出电压；Toff为场效应管关闭时间。

所以

上式说明，输出电压Uo与Ton成正比，与匝比n及Toff成反比。所以稳定过程为：当输出电压有变大趋势时，TL431内部参考电压也随之增大，导致流过TL431的电流增大，于是，光耦发光加强，感光端得到的反馈电压也就越大。UC3845在接受这个变大反馈电压后，与其内部的基准电压进行运算比较，减小占空比，即减少MOSFET的导通时间，使输出电压随之改变而回落（上面的过程在极短的时间内就会达到平衡）。反之，如果输出电压出现过低，UC3845将调节输出脉冲占空比，使之增大，这样输出电压增高，达到稳压目的。同时，整个电源系统的输入、输出通过光耦隔离，UC3845受到的干扰减少。由于本设计对电压精度要求较高，将电压反馈信号从补偿端（COMP）输入，不使用UC3845的内部放大器。因此反馈信号的传输缩短了一个放大器的传输时间，使电源的动态响应更快［5］。

电流取样反馈是通过采样电阻把采样电压接至3脚。当3脚的采样电压小于1 V时，脉宽调制器能正常工作；当3脚的电压等于或大于1 V时，电流采样器输出高电平使PWM锁存器置0而使输出封锁，若故障消失，下一个时钟脉冲到来将使PWM锁存器自动复位。

2.3 EMI抗噪声处理技术

根据电子类产品的电磁兼容标准IEC61000-4的要求，设备本身不能对电网产生影响，也要防止设备受到电网波动而影响使用，所以必须在设备电源输入端加EMI滤波处理，处理电路如图3所示。

图3 电磁兼容抑制电路

共模电感L1／L2的差值电感与电容C1及C2构成了一个π型滤波器。这种滤波器对差模干扰有较好的衰减，C1、C2选用的是薄膜电容。除了共模电感以外，图中的电容C3、C4、C22及C23是用来滤除共模干扰的。共模滤波的衰减在低频时主要由电感器起作用，而在高频时大部分由电容C3及C4起作用，C22和C23吸收市电内带来的杂波，选用的是陶瓷电容。VDR1是压敏电阻，为了防止雷击，F1为熔断丝，起短路保护作用。

3 调试与测试结果

在新原理图拿去生产，然后回来测试与调试过程中，还遇到了一些问题，第一次生产的板子上发现输出电压无法控制，从而导致输出端的稳压电容一直爆掉，之后又引起两个反馈电阻烧坏，经查明原因为光耦的6个引脚有接线错误，导致输出无法反馈给开关芯片，使输出电压一直上升，输出端所有器件都烧坏。第二次生产的板子上发现电压无输出，经查明发现散热片导致整流管D3的3个引脚接通了，输出正负端连在一起，所以无输出。

整改后重新生产板子，继续调试，在空载时测得波形如图4。

图4 空载测试波形

如图4所示，输出能够稳定在26.5 V，纹波不超过1 V，由于没有负载，所以开关电源充电器一直处在待机状况，功耗很小。当接上蓄电池负载后，电压稳定在25.6 V，电流为4 A，给蓄电池恒压限流充电，当蓄电池电压上升时，充电电流会逐渐减小，来保护电池寿命，达到快速高效省时的充电要求。

4 结 论

本文设计的开关电源充电器在同一张原理图的情况下，更换少量元器件能够实现两种充电模式，通过样机实验证明设计达到了理想效果。整机调试方便，性能可靠，输出电压纹波较小，能够有效地抑制机器本身对电网的影响，又能够在电网电压浮动时正常工作。电路主要由三部分组成，即输入模块、驱动反馈模块、输出模块，依据这三个模块设计出了符合要求的开关电源，实现了220 V转25.6 V、4 A或者13.8 V、6.5 A的恒压限流充电器的设计，其恒压限流功能满足铅酸蓄电池充电的需求。

［1］ 毛小明，夏东伟，等.基于单端反激电路的实用充电器设计［J］.电源学报，2011，（4）：88-90.

［2］ 郭庆明，何云峰.单端反激式开关电源变压器［J］.电子设计工程，2010，18（5）：165-167.

［3］ 高曾辉，邵菊香.单端反激式开关电源的恒压输出条件及实验验证［J］.西南民族大学学报（自然科学版），2004，30（3）：318-321.

［4］ 范立荣.基于UC3844反激式开关电源的设计［J］.通信电源技术，2014，31（1）：34-36.

［5］ 何锦军，刘晓波.基于UC3842的医疗开关电源设计［J］.科技广场，2008，（03）：215-217.