矿用宽输入开关电源设计研究

周波++贾文超

摘 要：为了实现矿用宽范围输入开关电源的设计，通过比较目前常用的几种直流变换器拓扑结构的特点，建立了反激式开关电源模型。然后采用UC3842芯片进行控制电路的研究设计，达到矿用宽输入的要求。利用仿真软件Saber进行电路原理图的仿真，其仿真的实验结果证明了所设计的矿用宽范围输入开关电源的正确性和可行性。

关键词：反激式；开关电源；UC3842；宽范围输入

中图分类号：TD611 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.01.018

随着开关稳压电源的飞速发展，很多场合都利用到开关稳压电源。开关稳压电源高效率、小型化、高适应性是其未来发展的方向。矿井环境恶劣，对开关电源的设计要求很严格。由于反激式开关电源大部分是小功率的，功率一般在几十至一百多瓦之间，其结构简单，所用体积较小，质量较轻，多被应用于小功率器件中，而且电路结构简单，输入调压范围宽广，可以达到矿井下要求的宽输入开关电源设计要求。

在控制方面，本文使用UC3842芯片，采用PWM脉宽调制方法，从而达到对宽输入恒输出的要求，确保在恶劣环境下实现90～265 VAC输入、恒压DC24 V输出的要求。

1 矿用宽范围输入开关电源结构设计

1.1 开关电源系统结构

本设计系统结构如图1所示，主要由输入滤波电路、主功率电路、控制电路等组成。其中，主功率电路是由反激变换电路、整流电路和输出滤波电路3部分组成，控制电路部分包括控制回路部分和反馈回路部分。

1.2 反激式变换器工作原理

图2所示为反激式变换器工作原理图。

主输出Vom和辅输出VO1，Vom连接反馈电路，将V采样和V参考进行比较，控制芯片分析误差信号，导通时间由Q1决定。

反激式开关电源工作模式包括断续工作模式（DCM）和连续工作模式（CCM）2种，电路由PWM脉冲输入，开关管导通，变压器原边有输入电压，绕组储能。开关管关断时，储能向负载流动。如果能量在下一个脉冲来之前放完，是为DCM模式，没放完就是CCM模式。前者优点为具有小体积高频变压器。本设计中反向电压还没出现，I二极管=0，考虑到减少EMI，所以我们选用DCM模式。

由上可得，反馈控制在VDC或者RO变大时减少，达到自动调整VOUT的目的。

1.3 控制芯片UC3842原理

UC3842是单电源供电、带电流正向补偿、单路调制输出的集成芯片，主要用于高频中小容量的开关电源。从内部的结构图可以很清晰地看出，它主要包括高频振荡、误差比较、欠压锁定、电流取样比较、脉宽调制锁存等功能电路。通过UC3842所建立的开关电源控制电路中，控制闭环回路有电压、电流2种控制模式，通过反馈电压反馈到电压比较器上是电压控制环的组成部分，然后再与芯片内部基准电压比较，比较后产生误差电压；误差电压又反馈到误差比较器的反向输入端，构成PI补偿网络。电流控制环是由变压器初级电流经采样电阻产生的电流采样电压与误差放大器输出端产生的误差电压对比，产生脉宽调制信号。此脉宽调制信号用来调节开关管的开通与关断。当输出电压变化时，就会改变开关管的导通时间，占空比因此被改变，从而达到输出稳定电压的目的。芯片内部结构如图3所示。

2 系统总体结构

如图4，总体电路设计了主电路部分、控制电路部分、反饋电路部分、启动电路部分等，利用单端反激式拓扑结构作为主电路设计的主要拓扑结构。该电路具有输入电压范围宽、结构简单、工作效率高等优点。在功率开关管的选择方面，采用N-MOSFET STP9NK70ZFP（700 V，5 A）作为功率开关管；在次级二极管的选择方面，采用肖特基二极管SR540（40 V，5 A）作为次级整流二极管。控制电路的设计是整个开关电源设计的核心，其控制的优良直接决定开关电源的性质。输入交流电先经过电磁干扰滤波器滤除电网的谐波，然后经过整流桥整流变换成直流高压，电阻R2为启动电阻，电压通过R2向UC3842供电，使其开始正常工作，并向其提供稳定的电压。由R12、C9、VD2组成有源钳位吸收电路，主要用于吸收高频变压器初级绕组产生的尖峰电压，VD4、C10输出端整流滤波，使其输出稳定直流电压。

3 系统仿真分析

通过之前的理论研究，确定了主电路的基本设计，其中，输入90～265 VAC，输出直流电压24 V，且纹波虑小于1%.输出电压波形如图5所示。

由图5可以清晰地看出输出+24电压在0～100 ms内的电压波形图基本符合输出电压的指标。下面放大波形图，截取91.0～95.0 ms时段，电压在范围内的波形如图6所示。

图6清晰地反映了输出电压24 V波动较小，波动大概为0.015 V，纹波率小于1%，纹波电压小于24 mV，均符合要求。

91.9～92.05 ms变压器原边电流波形如图7所示。

4 结论

本设计是矿用宽范围输入开关电源设计，在矿井下恶劣的环境中，要实现开关电源稳定输出，而且考虑到外界一些干扰因素，要想把开关电源设计好，不是件容易的事情。因此，每部分必须严格、细致地设计，才能实现宽范围、稳压输出、稳流输出。本设计采用单端反激式开关电源拓扑结构，同时设计了电源架构，仿真的结果证明了方案正确，成功设计出了电压输入90～265 VAC转变为24 V直流输出的反激式开关电源。

参考文献

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〔编辑：刘晓芳〕