電子設(shè)備的供電離不開直流電源，直流電源的作用主要是將交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電。現(xiàn)代電子設(shè)備不僅要求直流電源輸出穩(wěn)定的直流電，對(duì)電路的效率也要求越來(lái)越高，要求電源要耐用、體積要小等。開關(guān)電源的調(diào)整管因工作在開關(guān)狀態(tài)，功耗很小，所以開關(guān)電源的效率非常高、同時(shí)又具備輸出穩(wěn)定、體積小等優(yōu)點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)和開發(fā)高性能的開關(guān)電源具有很大的市場(chǎng)前景。本文基于UC3842PWM控制芯片設(shè)計(jì)了一種反激式AC-DC開關(guān)電源，輸入電壓為交流80?265V，輸出電壓為直流12V電流5A，電壓紋波<±50mV。
1.UC3842內(nèi)部結(jié)構(gòu)
UC3842是應(yīng)用比較廣泛的一種電流控制型PWM(PulseWidthModulation，脈沖寬度調(diào)制)控制器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。主要由振蕩器、誤差放大器、電流檢查比較器、PWM鎖存器、基準(zhǔn)電壓等功能模塊構(gòu)成。
圖1 UC3842的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
2.AC-DC開關(guān)電源總體設(shè)計(jì)框圖
AC-DC開關(guān)電源的總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。電路主要由輸入保護(hù)電路和EMI(Electron-MagneticInterference:電磁干擾)濾波器、輸入整流濾波電路、功率開關(guān)管、高頻變壓器、輸出整流濾波電路、PWM控器電路及電壓反饋電路等部分組成。
圖2 AC-DC開關(guān)電源設(shè)計(jì)框圖
80?265V交流電經(jīng)過輸入整流濾波獲得直流高壓，再由功率開關(guān)管Q斬波、高頻變壓器T降壓，得到高頻矩形波電壓，然后通過輸出整流濾波后獲得所需要的直流輸出電壓Uo。PWM調(diào)制器產(chǎn)生頻率固定而脈沖寬度可隨反饋信號(hào)調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制開關(guān)管的通、斷時(shí)間，從而達(dá)到自動(dòng)穩(wěn)定輸出電壓和輸出電流的目的。
3.單元電路設(shè)計(jì)
3.1輸入保護(hù)電路和EMI濾波器
輸入保護(hù)電路和EMI(Electron-MagneticInterference:電磁干擾)濾波電路設(shè)計(jì)如圖3所示。電路中熔絲管FU，熱敏電阻Ri和壓敏電阻Rv構(gòu)成輸入保護(hù)電路，當(dāng)輸入發(fā)生短路等故障時(shí)能快速切斷電源，保護(hù)電路。壓敏電阻Rv可旁路浪涌電壓，防雷擊保護(hù)。
圖3 輸入保護(hù)電路和EMI濾波器
EMI濾波電路由共模扼流圈L、濾波電容Cx1、Cx2、CY1、CY2構(gòu)成，能有效濾除電網(wǎng)高頻噪聲，提高電子設(shè)備的抗干擾能力及系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)出現(xiàn)共模干擾時(shí)，由于L的兩個(gè)磁通方向相同，經(jīng)過耦合對(duì)共模信號(hào)呈現(xiàn)很大的感抗，使之不易通過。Cx1和Cx2跨接在兩條電源線之間，可用來(lái)濾波線間干擾，即串模干擾;CY1和CY2串聯(lián)后接在兩條電源線之間，并將電容器中點(diǎn)接大地，能有效抑制共模干擾。
3.2輸入整流濾波電路
輸入整流濾波電路采用橋式整流電容濾波電路結(jié)構(gòu)，如圖4所示。50Hz交流電壓經(jīng)過全波整流后變成脈動(dòng)直流電壓，再經(jīng)過濾波電容濾波得到直流高壓電U1。
圖4 輸入整流濾波電路
3.3反激變換器
DC-DC變換器采用的是反激變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖5所示，包括功率開關(guān)管Q1、高頻變壓器T1及輸出整流濾波電路。
圖5 反激變換器
Q1功率開關(guān)管的柵極接PWM輸出信號(hào)，當(dāng)柵極輸入高電平時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，輸入低電平時(shí)，開關(guān)管截止。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電流流過變壓器初級(jí)線圈Np，而此時(shí)次級(jí)整流二極管截止，次級(jí)無(wú)電流流過，電能儲(chǔ)存在高頻變壓器的初級(jí)電感線圈中Np中;當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，初級(jí)線圈電流關(guān)斷，所有繞組電壓反向，整流二極管導(dǎo)通，初級(jí)線圈上的電能傳輸給次極繞組，并經(jīng)過次級(jí)整流二極管D2整流、C3、C4、C5、L1組成的π型濾波器濾波后得到所需直流電壓。
圖中D1、C1、R1構(gòu)成漏極鉗位保護(hù)電路。當(dāng)開關(guān)管由導(dǎo)通變成截止時(shí)，在一次繞組上產(chǎn)生尖峰電壓和感應(yīng)電壓，與直流高壓疊加在MOS管的漏極，很容易擊穿開關(guān)管，漏極保護(hù)電路則可吸收產(chǎn)生的尖峰電壓。
3.4PWM控制電路
PWM控制電路采用UC3842集成芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖6所示。
圖6 PWM控制電路
電路中變壓器的另一次級(jí)繞組NS2及其所連接的二極管D3、電容元件C6、C7構(gòu)成反激式開關(guān)電源的另一路直流輸出為UC3842提供直流電壓。
在UC3842的1腳和2腳之間并接R2和C8，對(duì)內(nèi)部誤差放大器進(jìn)行補(bǔ)償。輸出反饋電壓經(jīng)2腳送到內(nèi)部的誤差比較放大器，與內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生的誤差信號(hào)送到內(nèi)部電流檢測(cè)比較器。流過開關(guān)管的電流(即初級(jí)電感導(dǎo)通時(shí)電流)經(jīng)過R8采樣，轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)R4和C11高頻濾波后送入到芯片3腳。
內(nèi)部振蕩電路頻率由4腳外接的R3和C10確定，內(nèi)部振蕩電路的頻率決定PWM輸出脈沖信號(hào)的頻率，而PWM輸出信號(hào)的脈沖寬度則隨反饋電壓的大小而變化。如果2腳的反饋電壓變高，則PWM控制電路會(huì)使輸出脈沖的寬度變窄，占空比減小，功率開關(guān)管Q1的導(dǎo)通時(shí)間變短。
3.5電壓反饋電路
電壓反饋電路采用線性光電耦合器、三端可調(diào)穩(wěn)壓管以及由R4、R5、R6組成輸出電壓采樣電路組成，設(shè)計(jì)電路如圖7所示。
圖7 電壓反饋電路
輸出電壓經(jīng)米樣電阻R4、R5、R6分壓，分壓后的電壓控制可調(diào)穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)壓值。當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，經(jīng)采樣電阻分壓后輸入到可調(diào)穩(wěn)壓管DZ的參考電壓也降低，可調(diào)穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值減小，從而流過光耦中發(fā)光二極管的電流增加，光增強(qiáng)，流過光耦中光電三極管的電流也相應(yīng)的增加，在反饋電阻R8上形成的反饋電壓也增加，反饋電壓送入到PWM控制器中，經(jīng)過PWM控制電路使輸出脈沖的寬度變寬，占空比增加，則功率開關(guān)管9的導(dǎo)通時(shí)間增加，輸出電壓增加，從而使輸出電壓穩(wěn)定，反之亦然，從而達(dá)到穩(wěn)疋輸出電壓的目的。
4.電路測(cè)試結(jié)果與分析
電路測(cè)試波形如圖8所示
圖8 電路測(cè)試波形
1)空載時(shí)開關(guān)管柵極電壓波形如圖8(a)所示。
2)有載時(shí)開關(guān)管柵極電壓波形如圖8(b)所示。
由這兩個(gè)波形圖對(duì)比可以看出，當(dāng)輸出端帶負(fù)載時(shí)，輸出電壓會(huì)降低，但經(jīng)過PWM控制電路輸出的送入到開關(guān)管柵極的脈沖電壓寬度變寬，開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間變長(zhǎng)，輸出電壓增加，從而使輸出電壓穩(wěn)定。
3)空載時(shí)變壓器輸出端兩端電壓波形如圖8(c)所示。
4)有載時(shí)變壓器輸出端兩端電壓波形如圖8(d)所示。
這兩個(gè)波形和柵極電壓波形進(jìn)行比較，可知當(dāng)柵極電壓為正，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器原方線圈中有電流流過，但變壓器付方(輸出端)兩端電壓為負(fù)，所以該變換器是一個(gè)反激變換器。
5)直流耦合時(shí)測(cè)得的輸出電壓波形如圖8(e)所示。
6)交流耦合時(shí)測(cè)得的輸出紋波電壓如圖8(f)所示。
從這兩個(gè)測(cè)試結(jié)果可以看出輸出電壓穩(wěn)定在+12V，輸出電壓的紋波限制在±20mV內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。
結(jié)束語(yǔ)
針對(duì)現(xiàn)代電子設(shè)備不僅要求直流電源輸出穩(wěn)定的直流電，對(duì)電路的效率要求也越來(lái)越高等要求，本文以UC3842為PWM控制器，首先交流電直接經(jīng)過整流濾波變換為直流高壓，然后采用反激變換器，利用線性光電耦合器、三端可調(diào)穩(wěn)壓管以及采樣電阻構(gòu)成輸出電壓反饋電路，設(shè)計(jì)了一種反激式AC-DC開關(guān)電源，性能達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)要求，該設(shè)計(jì)電路具有精度高、紋波小、效率高、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。
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