基于UC3845反激式开关电源设计及其在测井仪的应用

冯延强，杨建涛，乔宝强，马艳芳

（核工业北京地质研究院，北京100029）

反激式开关电源一般由功率开关管、高频变压器、整流二极管、滤波电容以及控制电路组成。系统输入直流电压，通过控制电路控制功率开关管的通断获取占空比可调的逆变电压，然后将该逆变高频交变方波电压加在高频变压器的初级绕组，经过变压器的高频变压、整流、滤波，可输出设计所需的直流电压［1-2］。由于，在整个工作过程中，高频变压器的初级绕组导通时，次级绕组（含整流二极管）处于关断状态；当高频变压器的初级绕组关断时，次级绕组（储能电感）释放互感能量而提供输出电压，因此被称为反激式开关电源［3-4］。该反激式开关电源的设计关键在于控制电路、功率开关管和具有变压、储能、隔离作用的高频变压器。

测井仪井下探管电路布局空间紧凑、电路散热不能过高。在1 km左右井深范围内，井液井温不会太高，对于电路散热要求较小。但对于高温、深孔及某些易受温度影响的特定参数测井时，对于探管内部电路的散热量尽量要小。另外，由于探管内部电路空间有限，不适宜使用较大体积变压器及外围电路庞大复杂的电源系统。目前较多采用模块化的直流稳压电源，但小体积该类模块散热量较大，难以满足高温测井、深孔测井等发展趋势的需求。而反激式开关电源结构简单、外围电路元器件少、输出电压稳定、隔离高频变压器散热良好，相对于模块式电源更具灵活性，更能满足发展需求。

1 基于UC3845控制器的反激式开关电源设计原理

开关电源电流控制技术是利用开关电源的输出电压Uo作为反馈电压与控制器中参考电压Uref进行比较，该比较误差放大后的输出电压UE与采样电压Us（由功率开关峰值电流与无感采样电阻Rs获取）进行比较，然后直接去控制功率开关通断的占空比，使功率开关的峰值电流受采样电压Us信号控制，从而达到电流控制的目的。

UC3845是高性能固定频率电流模式控制器，其系列芯片的内部方框图如图1所示［5-7］。1脚为误差放大输出，并可用于环路补偿；2脚是误差放大器的反相输入；3脚是电流取样端，通常通过一个正比于电感器电流的电压接到这个输入，脉宽调制器使用此信息中止输出开关管的导通；4脚为RT/CT端，通过将电阻RT连至Uref端并将CT端连至地，使得振荡器频率可调；5脚为接地端；6脚为输出端，输出开关频率为振荡器的一半；7脚为Vcc端；8脚为参考输出，它经RT端向电容CT端提供充电电流，可提供大电流图腾柱输出，输出电流达1 A。工作时，UC3845控制器2脚为变压器输出的反馈电压，该电压与控制器内部的2.5 V基准电压进行比较，输出误差增益1脚电压通过外接RC反馈网络到2脚，通过改变外接RC的值可改变误差增益放大器的增益和频响；与此同时，1脚电压经过1.4 V压降和1/3倍分压后与采样电压比较，比较结果直接控制MOSFET管的通断，从而实现反激式开关电源功率开关管的通断控制。

2 参数计算

2.1 UC3845外围电路参数计算

2.1.1 启动电压

UC3845典型启动电压为8.5 V，电流为1 mA。内部具有过压保护和欠压锁定功能，当工作电压Vcc超过36 V时，内部稳压二极管稳压启动，使内部电路在小于36 V电压下可靠工作；当工作电压Vcc低于8.5 V时，芯片锁定，仅1 mA耗电电流，功耗较低。系统启动阻值和启动电容参考式（1）与式（2）。

式中：Rin—系统启动阻值（Ω）；Uin—系统输入直流电压（V）； Iin—系统启动电流（A）。

式中： Cin—系统启动电容（F）； ΔVcc—UC3845门限锁定电压范围（V）；f—UC3845震荡频率（kHz）。

2.1.2 震荡频率

图1 UC3845内部方框图Fig.1 The block diagram of UC3845

UC3845控制器的振荡器工作频率可由外部8脚和4脚之间电阻值RT和4脚与5脚（地）之间电容值CT（图1）决定。其电容值CT由参考电压Vref通过电阻充电，充至2.8 V后由内部触发锁存器并放电至1.2 V，形成振荡器锯齿波脉冲信号。震荡频率f计算如式（3）：

式中： RT—震荡限流电阻 （Ω），要求大于5 kΩ； CT—震荡充放电电容（F）。

2.1.3 采样电阻

采样电阻为MOSFET管的源级与地之间串接的无感电阻Rs（图1），当MOSFET管导通时，变压器初级电流与系统输入电压关系见式（4）。采样电阻端电压（UC3845的3脚电压）为Us＝Rs×i，由于当采样电压超过 1 V时，UC3845内部比较器会输出高电平，RS锁存器将复位，PWM输出低电平，MOSFET管将关断。因此无感取样电阻值应满足式（5）的要求。

式中：L—变压器初级电感（H）；i—变压器的初级电流（A）。

式中：Rs—无感采样电阻阻值 （Ω）；Ip—变压器初级绕组峰值电流 （A）；P—变压器输出功率（W）； Dmax—系统工作最大占空比。

2.1.4 滤波

UC3845的工作电压Vcc一般设计由变压器的反馈绕组提供，为了避免引入高频干扰信号，需要Vcc端对地接一个高频滤波瓷片电容，并且PCB布线也要注意不能有铜箔引入电感量，以免产生干扰。

另一方面，如果同一Uin作为多个高频变压器的系统输入电压时，需要注意各个变压器之间的忽扰问题，各自的输入电压尽量距离Uin较近，不可串联布线。

2.2 变压器参数计算

反激式开关电源中的变压器具有高频变压和电气隔离作用，在确定系统输入电压Uin、输出电压Uo等性能参数条件下，其具体参数设计如下。

2.2.1 开关频率

变压器的开关频率F为系统PWM控制器震荡频率的0.5倍，所以在UC3845外围电路设计时依据RT、CT计算获得的震荡频率f的一半即为变压器的开关频率。

2.2.2 变压器变比

在确定系统工作最大占空比Dmax（UC3845最大占空比为0.5）后，变压器的变比N满足式（6）：

式中：Uo—系统输出直流电压（V）；0.7—为整流二极管管压降（V）。

2.2.3 占空比

变压器占空比D需根据变压器的反射电压 Uor按照式（7）计算：

式中：Uor—变压器反射电压 （V），变压器反射电压Uor经验值为MOSFET管箝位电压Uz除以1.4得到。

2.2.4 初级电感

变压器初级电感Lp由系统输入电压Uin、系统工作最大占空比Dmax、变压器输出功率P及变压器开关频率F按照式（8）计算：

2.2.5 磁芯选择

反激式开关电源的变压器为高频变压器，其磁芯通常采用铁氧体或铁基纳米晶合金（超微晶合金）。在磁芯选择时，需要按照式（9）计算磁芯有效体积 Ve。

式中：Pin—变压器输入功率 （W）；r—变压器纹波系数（一般取值0.5）；F—变压器开关频率 （Hz）； η—变压器的变换效率 （一般取值0.7）。

2.2.6 变压器匝数

初级绕组匝数Np依据2.2.4初级电感和初级电感峰值电流Ip及2.2.5磁芯参数用式（10）计算：

式中：Ip—初级绕组峰值电流（A）；Ae—磁芯截面积（mm2）；ΔB—磁感应强度摆幅（一般设计为 0.3）。

初级绕组线径依据初级电感有效电流按照式（11）计算获得：

图2 实例电路原理图Fig.2 The diagram of designed circuit example

式中：Φn—初级绕组线径（mm）；Irms—初级绕组电流有效值（A）；J—电流密度（一般设计为4.5 A/mm2）。次级匝数为初级匝数与2.2.2变压器变比的比值，次级绕组线径计算方法与初级绕组线径计算方法一致。

2.3 设计实例

基于上述2.1 UC3845外围电路参数计算与2.2节变压器参数计算，设计了反激式开关电源（图2）。UC3845工作电压Vcc由辅助绕组NC提供，震荡频率设计为40 kHz，变压器输出＋5 V电压作为反馈电压。

该设计实例输入电压范围70～100 V、输出电压±5 V （电流0.5 A）、输出电压±15 V（电流0.3 A）、最大占空比设计为0.45、变压器变换效率设计为70% （表1）。

表1 实例电路设计参数表Table 1 The parameters of electrical circuit example

3 实例应用

本文设计的基于UC3845反激式开关电源用于测井仪井下探管直流电源系统，实测表明系统在输入电压70～100 V范围内运行稳定，输出电压准确，±5 V电源输出纹波系数小于0.8%，±15 V电源输出纹波系数小于0.5%，与现有井下探管采用的直流稳压模块（DC/DC WD5系列中WD5-110S5B纹波系数1.0%、WD5-110S12B纹波系数0.8%）在同样输出电压条件下纹波系数基本一致，能够满足测井仪井下探管对于直流电源的应用需求。

相对于现有井下探管采用直流稳压模块的方式，文中设计装置具备优势：1）可按探管内部工作电压、功率需求来设计输出电压，灵活性高、适用性强；2）原有直流稳压模块长时间工作易发热，探管内部温度会升高，对于深井应用的发展趋势不利，而文中采用高频变压器的设计发热小，探管内部温度几乎不会受此影响，更适用于未来深井探管的应用。

综上，文中设计的基于UC3845反激式开关电源在同样条件下与电源模块性能指标一致，但其更具灵活性与适用性，对于未来发展深井应用更为有效。

4 结论

笔者设计的基于电流型PWM控制器UC3845的反激式开关电源输入电压范围70～110 V，输出±5 V、±15 V直流电压稳定，纹波较小。实际应用表明设计实例能够满足测井仪井下探管直流电源系统的应用需求，具有实际应用价值。