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        基于UC3842的單端反激式開關電源的設計

        2019-07-01 04:23 1876次瀏覽 來源:

        引言

          電源裝置是電力電子技術應用的一個重要領域,其中高頻開關式直流穩壓電源由于具有效率高、體積小和重量輕等突出優點,獲得了廣泛的應用。開關電源的控制電路可以分為電壓控制型和電流控制型,前者是一個單閉環電壓控制系統,系統響應慢,很難達到較高的線形調整率精度,后者,較電壓控制型有不可比擬的優點。

          UC3842是由Unitrode公司開發的新型控制器件,是國內應用比較廣泛的一種電流控制型脈寬調制器。所謂電流型脈寬調制器是按反饋電流來調節脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈電流的信號與誤差放大器輸出信號進行比較,從而調節占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結構上有電壓環、電流環雙環系統,因此,無論開關電源的電壓調整率、負載調整率和瞬態響應特性都有提高,是比較理想的新型的控制器閉。

          1 電路設計和原理

          1.1 UC3842工作原理

          UC3842是單電源供電,帶電流正向補償,單路調制輸出的集成芯片,其內部組成框圖如圖l所示。其中腳1外接阻容元件,用來補償誤差放大器的頻率特性。腳2是反饋電壓輸入端,將取樣電壓加到誤差放大器的反相輸入端,再與同相輸入端的基準電壓進行比較,產生誤差電壓。腳3是電流檢測輸入端,與電阻配合,構成過流保護電路。腳4外接鋸齒波振蕩器外部定時電阻與定時電容,決定振蕩頻率,基準電壓VREF為0.5V。輸出電壓將決定變壓器的變壓比。由圖1可見,它主要包括高頻振蕩、誤差比較、欠壓鎖定、電流取樣比較、脈寬調制鎖存等功能電路。UC3842主要用于高頻中小容量開關電源,用它構成的傳統離線式反激變換器電路在驅動隔離輸出的單端開關時,通常將誤差比較器的反向輸入端通過反饋繞組經電阻分壓得到的信號與內部2.5V基準進行比較,誤差比較器的輸出端與反向輸入端接成PI補償網絡,誤差比較器的輸出端與電流采樣電壓進行比較,從而控制PWM序列的占空比,達到電路穩定的目的。
         

        UC3842工作原理

         

        1.2 系統原理

          本文以UC3842為核心控制部件,設計一款AC 220V輸入,DC 24V輸出的單端反激式開關穩壓電源。開關電源控制電路是一個電壓、電流雙閉環控制系統。變換器的幅頻特性由雙極點變成單極點,因此,增益帶寬乘積得到了提高,穩定幅度大,具有良好的頻率響應特性。

          主要的功能模塊包括:啟動電路、過流過壓欠壓保護電路、反饋電路、整流電路。以下對各個模塊的原理和功能進行分析。電路原理圖如圖2所示。
         

        電路原理圖

        1.2.1 啟動電路

          如圖2所示交流電由C16、L1、C15以及C14、C13進行低通濾波,其中C16、C15組成抗串模干擾電路,用于抑制正態噪聲;C14、C13、L1組成抗共模干擾電路,用于抑制共態噪聲干擾。它們的組合應用對電磁干擾由很強的衰減旁路作用。濾波后的交流電壓經D1~D4橋式整流以及電解電容C1、C2濾波后變成3lOV的脈動直流電壓,此電壓經R1降壓后給C8充電,當C8的電壓達到UC3842的啟動電壓門檻值時,UC3842開始工作并提供驅動脈沖,由腳6輸出推動開關管工作。隨著UC3842的啟動,R1的工作也就基本結束,余下的任務交給反饋繞組,由反饋繞組產生電壓給UC3842供電。由于輸入電壓超過了UC3842的工作,為了避免意外,用D10穩壓管限定UC3842的輸入電壓,否則將出現UC3842被損壞的情況。

          1.2.2 短路過流、過壓、欠壓保護電路

          由于輸入電壓的不穩定,或者一些其他的外在因素,有時會導致電路出現短路、過壓、欠壓等不利于電路工作的現象發生,因此,電路必須具有一定的保護功能。如圖2所示,如果由于某種原因,輸出端短路而產生過流,開關管的漏極電流將大幅度上升,R9兩端的電壓上升,UC3842的腳3上的電壓也上升。當該腳的電壓超過正常值0.3V達到1V(即電流超過1.5A)時,UC3842的PWM比較器輸出高電平,使PWM鎖存器復位,關閉輸出。這時,UC3842的腳6無輸出,MOS管S1截止,從而保護了電路。如果供電電壓發生過壓(在265V以上),UC3842無法調節占空比,變壓器的初級繞組電壓大大提高,UC3842的腳7供電電壓也急劇上升,其腳2的電壓也上升,關閉輸出。如果電網的電壓低于85V,UC3842的腳1電壓也下降,當下降lV(正常值是3.4V)以下時,PWM比較器輸出高電平,使PWM鎖存器復位,關閉輸出。如果人為意外地將輸出端短路,這時輸出電流將成倍增大,使得自動恢復開關RF內部的熱量激增,它立即斷開電路,起到過壓保護作用。一旦故障排除,自動恢復開關RF在5s之內快速恢復阻抗。因此,此電路具有短路過流、過壓、欠壓三重保護。

          1.2.3 反饋電路

         

          反饋電路采用精密穩壓源TL431和線性光耦PC817。利用TL43l可調式精密穩壓器構成誤差電壓放大器,再通過線性光耦對輸出進行精確的調整。如圖2所示,R4、R5是精密穩壓源的外接控制電阻,它們決定輸出電壓的高低,和TL431一并組成外部誤差放大器。當輸出電壓升高時,取樣電壓VR7也隨之升高,設定電壓大于基準電壓(TL431的基準電壓為2.5V),使TL431內的誤差放大器的輸出電壓升高,致使片內驅動三極管的輸出電壓降低,也使輸出電壓Vo下降,最后Vo趨于穩定;反之,輸出電壓下降引起設置電壓下降,當輸出電壓低于設置電壓時,誤差放大器的輸出電壓下降,片內的驅動三極管的輸出電壓升高,最終使得UC3842的腳1的補償輸入電流隨之變化,促使片內對PWM比較器進行調節,改變占空比,達到穩壓的目的。R7、R8的阻值是這樣計算的:先固定R7的阻值,再計算R8的阻值,即
        公示

        1.2.4 整流濾波電路

          輸出整流濾波電路直接影響到電壓波紋的大小,影響輸出電壓的性能。開關電源輸出端中對波紋幅值的影響主要有以下幾個方面。

          (1)輸入電源的噪聲,是指輸入電源中所包含的交流成分。解決的方案是在電源輸入端加電容C5,以濾除此噪聲干擾。

          (2)高頻信號噪聲,開關電源中對直流輸入進行高頻的斬波,然后通過高頻的變壓器進行傳輸,在這個過程中,必然會摻人高頻的噪聲干擾。還有功率管器件在開關的過程中引起的高頻噪聲。對于這類高頻噪聲的解決方案是在輸出端采用π型濾波的方式。濾波電感采用150μH的電感,可濾除高頻噪聲。

          (3)采用快速恢復二極管D6、D7整流?;诘蛪?、功耗低、大電流的特點,有利于提高電源的效率,其反向恢復時間短,有利于減少高頻噪聲。

          2 并聯整流二極管減小尖峰電壓

          在大功率的整流電路中,次級整流橋電路存在較大雜散電感,輸出整流管在換流時,由于電路中存在寄生振蕩,整流管會承受較大的尖峰電壓,尖峰電壓的存在提高了對整流二極管的耐壓要求,也將帶來額外的電路損耗。整流橋的寄生振蕩產生于變壓器的漏感(或附加的諧振電感)與變壓器的繞組電容和整流管的結電容之間。

          當副邊電壓為零時,在全橋整流器中4只二極管全部導通,輸出濾波電感電流處于自然續流狀態。而當副邊電壓變化為高電壓Vin/K(K為變壓器變比)時,整流橋中有兩只二極管要關斷,兩只二極管繼續導通。這時候變壓器的漏感(或附加的諧振電感)就開始和關斷的整流二極管的電容諧振。即使采用快恢復二極管,二極管依然會承受至少兩倍的尖峰電壓,因此,必須采用有效的緩沖電路,有許多文獻對此作了研究,歸納起來有5種方式:RC緩沖電路,RCD緩沖電路,主動箝位緩沖電路,第三個繞組加二極管箝位緩沖電路,原邊側加二極管箝位緩沖電路。在這里提出另一種減小二極管尖峰電壓有效的方法:即整流二極管并聯,其具體的電路圖如圖3所示。
        整流二極管并聯原理圖

        并且這種方法在大功率全橋移相DC/DC電源變換器的項目中得到了應用,實驗波形驗證了該方法,實驗結果如圖4所示,其中圖4(a)是整流橋電壓波形,可以看出,由于變壓器的漏感和二極管的結電容以及變壓器的繞組電容之間發生的高頻振蕩,使二極管存在很高的尖峰電壓;圖4(b)是采用并聯整流二極管之后整流橋電壓波形,明顯尖峰電壓減小很多,驗證了該方法的有效性。
        并聯整流二極管之后整流橋電壓波形

        3 實驗結果及分析

          對設計的電路進行了實驗,圖5示出了實驗波形。圖5(a)上波形為UC3842的腳4三角波振蕩波形,下波形為UC3842的腳6驅動開關管的PWM波;圖5(b)上波形為滿載時輸出電壓直流分量Vdc,下波形為交流紋波Vripp。

          4 結語

          UC3842是一種高性能的固定頻率電流型控制器,單端輸出,可直接驅動晶體管和MOSFET,具有管腳數量少、外圍電路簡單、安裝與調試簡便、性能優良、價格低廉等優點,在100W以下的開關電源中有很好的應用前景。

         

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