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1、反激式开关电源设计摘摘 要要 :先介绍开关电源的概况，然后介绍一种电流控制型 PWM 控制器 UC3843 的特 点和工作原理，并分析其构成开关电源的整体电路结构和工作原理，最后提出一种基于 UC3843 的单端反激式开关电源的设计方法。 关键词关键词 反激式 UC3843 EMI 变压器1 引言随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切， 而电子设备都离不开可靠的电源，进入 80 年代计算机电源全面实现了开关电源化， 率先完成计算机的电源换代，进入 90 年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领 域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了
2、开关 电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。2 开关电源概述2.1 开关电源的产生与发展随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，特别是微处理器和半导体存储器的 开发利用，孕育了电子系统的新一代产品。显然，那种体积大而笨重的使用工频变压 器的线性调节稳压电源已经过时。取而代之的是小型化、重量轻、效率高的隔离式开 关电源。 隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。它使交流电源高效率地产生一 路或多路经调整的稳定直流电压。 早在 70 年代，随着电子技术的不断发展，集成化的开关电源就已被广泛地应用 于电子计算机、彩色电视机、卫星通信设备、程控交换机、精密仪表等电子设备。这 是由于开关电源能够满足
3、现代电子设备对多种电压和电流的需求。 随着半导体技术的高度发展，高反压快速开关晶体管使无工频变压器的开关电源 迅速实用化。而半导体集成电路技术的迅速发展又为开关电源控制电路的集成化奠定 了基础，适应各类开关电源控制要求的集成开关稳压器应运而生，其功能不断完善， 集成化水平也不断提高，外接元件越来越少，使得开关电源的设计、生产和调整工作 日益简化，成本也不断下降。目前己形成了各类功能完善的集成开关稳压器系列。近 年来高反压 Mos 大功率管的迅速发展，又将开关电源的工作频率从 20kHz 提高到兆 Hz，其结果是使整个开关电源的体积更小，重量更轻，效率更高。 开关电源的性能价格比达到了前所未有的
4、水平，使它在与线性电源的竞争中具有 先导之势。当然开关电源能被工业所接受，首先是它在体积、重量和效率上的优势。 在 70 年代后期，功率在 100w 以上的开关电源是有竞争力的。到 1980 年，功率在 50w 以上就具有竞争力了。 随着开关电源性能的改善，到 80 年代后期，电子设备的消耗功率在 20w 以上， 就要考虑使用开关电源了。过去，开关电源在小功率范围内成本较高，但进入 90 年 代后，其成本下降非常显著。当然这包括了功率元件，控制元件和磁性元件成本的大 幅度下降。此外，能源成本的提高也是促进开关电源发展的因素之一。2.2 隔离式高频开关电源隔离式开关电源的变换器具有多种形式。主要
5、分为半桥式、全桥式、推挽式、单 端反激式、单端正激式等等。在设计电源时，设计者采取那种变换器电路形式，主要 根据成本、要达到的性能指标等因素来决定。各种形式的电源电路的基本功能块是相 同的，只是完成这些功能的技术手段有所不同。隔离式高频开关电源电路的共同特点 就是具有高频变压器，直流稳压是从变压器次级绕组的脉冲电压整流滤波而来。开关 电源的基本功能方框如图 1 所示。 在图 1 中，交流线路电压无论是来自电网的，还是经过变压器降压的首先要经 过整流、滤波电路变成含有固定脉动电压成分的直流电压，然后进入高频变换部分。 高频变换部分的核心是有一个高频功率开关元件，比如开关晶体管、场效应管 (MOS
6、FET)等元件，高频变换部分产生高频(20kHz 以上)高压方波，所得到的高压方波 送给高频隔离降压变压器的初级，在变压器的次级感应出的电压被整流、滤波后就产 生了低压直流。 为了调节输出电压，使得在输入交流和输出负载发生变化时，输出电压能保持稳 定，通常在这里采用一个叫做脉冲宽度调制器(PWM)的电路，通过对输出电压采样， 并把采样的结果通过光隔反馈给控制电路，控制电路把它与基准电压进行比较，根据 比较结果来控制高频功率开关元件的开关时间比例(占空比)，达到调整输出电压的目 的。图 1 隔离式开关稳压电源工作流图3 输入电路3.1 EMI 滤波器设计原理在开关电源应用于交流电网的场合，整流电
7、路往往导致输入电流的断续，这除 了大大降低输入功率因数外，还增加了大量高次谐波。同时，开关电源中功率开关管 的高速开关动作（从几十 kHz 到数 MHz），形成了 EMI（electromagnetic interference）骚扰源。从已发表的开关电源论文可知，在开关电源中主要存在的干 扰形式是传导干扰和近场辐射干扰，传导干扰还会注入电网，干扰接入电网的其他设 备。 减少传导干扰的方法有很多，诸如合理铺设地线，采取星型铺地，避免环形地线， 尽可能减少公共阻抗；设计合理的缓冲电路；减少电路杂散电容等。除此之外，可以 利用 EMI 滤波器衰减电网与开关电源对彼此的噪声干扰。AC 输入EMI滤波
8、整流滤波高频变换开关元件辅助电路PWM 控制逻辑高频隔离变压器输出整流滤波光隔离DC 输出EMC（电磁兼容）RS（对辐射发射的敏感度）CS（对传导发射的敏感度）EMS（电磁抗扰性/敏感度）EME（电磁发射）RE（辐射发射）CE（传导发射）EMI 传导辐射图 2 EMI/EMC 树形图（发射和敏感度） 在开关电源中，主要的 EMI 骚扰源是功率半导体器件开关动作产生的 dv/dt 和 di/dt，因而电磁发射 EME(Electromagnetic Emission)1通常是宽带的噪声信号，其 频率范围从开关工作频率到几 MHz。所以，传导型电磁环境（EME）的测量，正如很多 国际和国家标准所规
9、定，频率范围在 0.1530MHz。设计 EMI 滤波器，就是要对开关 频率及其高次谐波的噪声给予足够的衰减。基于上述标准，通常情况下只要考虑将频 率高于 150kHz 的 EME 衰减至合理范围内即可。在数字信号处理领域普遍认同的低通 滤波器概念同样适用于电力电子装置中。简言之，EMI 滤波器设计可以理解为要满足 以下要求：1，规定要求的阻带频率和阻带衰减；（满足某一特定频率 fstop有需要 Hstop的衰减）； 2，对电网频率低衰减（满足规定的通带频率和通带低衰减）；3， 低成本。传导型 EMI 噪声包含共模（CM）噪声和差模(DM)噪声两种。共模噪声存在于 所有交流相线(L、N)和共模
10、地(E)之间，其产生来源被认为是两电气回路之间绝缘泄 漏电流以及电磁场耦合等；差模噪声存在于交流相线(L、N)之间，产生来源是脉动电 流，开关器件的振动电流以及二极管的反向恢复特性。这两种模式的传导噪声来源不 同，传导途径也不同，因而共模滤波器和差模滤波器应当分别设计。显然，针对两种 不同模式的传导噪声，将其分离并分别测量出实际水平是十分必要的，这将有利于确 定那种模式的噪声占主要部分，并相应地体现在对应的滤波器设计过程中，实现参数 优化。3.2 EMI 滤波器设计方法CM 级和 DM 级都是对称（平衡）的1。从整流桥出来的噪声和进入 LISN 的噪声来 看，效果上等同于两个级联的 LC 滤波
11、器【3】（对 DM 和 CM 噪声而言）。这种滤波器可 以得到良好的高频衰减。滤波器通常放在输入整流桥之前，因为滤波器在这个位置可 以同时抑制整流桥二极管产生的噪声。C8Fuse 1L1C3C6GNDC5C9L4GNDL2L5C7L0图 3 电源输入滤波器 EMI 对地漏电流 Iy=2FCVc ，其中 f 为电网频率，Vc 为 Y 电容上的压降，因此 C3 和 C8，C5 和 C9 上的压降 Vc=48/2=24（V），所以，Cy=Iy/2VcF，为了避免致命 电击的发生，流入设备的总电流有效值为 0.5 mA，这是工业默认的设计值，这里取 0.3mA 作为计算值， 因此， Cy 总= Iy/
12、2VcF =0.3*10-4/（2*24*50）=39.8nF。 考虑到电源的输入电容如果太大，会造成电源启动时有难以预测的浪涌大电流， 而且考虑到不同频段的高频信号，所以 C3 和 C8 均取值为 10nF，C5 和 C9 均取值为 2.2nF。四个电容并联值=10*2+2.2*2=24.4Uout - Uka Uf/50mA，Uka 为 TL431 正常工作时的最低工作电压 ,Uka = 2.5V 。Rs 的取值要同时满足这两个条件,即：Uout - Uka Uf/50mA2.58A，符合容量和耐电流耐压要求。 变换器的输出电压纹波也需要考虑。由输出电容产生的电压纹波峰峰值等于电容 ESR
13、 乘以最恶劣情况下输出电流的峰峰值。 查表得，63V470u 的电解电容 ESR=235m，两个并联后，Rc=ESR235/2=117.5 m 电容峰峰值电流 Ic=Io*（1+rdmax/2）/(1-Dmax) 代入公式得：Ic=2*（1+0.4/2）/（1-0.62）=6.3A输出电容的纹波电压 Uc=Ic*Rc=6.3*0.1175=0.742V7 损耗与效率输出功率 P=12V*2A=24W 分压电阻损耗功率 Pz=Iin12*R 总=0.0032*17K=0.153W 副绕组的输出电流 Io2 最大为 40mA 二极管总损耗 P2=Vd1*Io1+Vd2*Io2=0.7*2+0.04
14、*0.7=1.428W 磁心损耗 Pcore=6.11*10-18*B2.7*f2.04mW 此处的 B 是 B/2 B=200*Et/Et100 B=200*1.07*103/101.2=2114.62Gs 即：Pcore=6.11*10-18*（2114.62/2）2.7*.04=0.05W 输入电容损耗 Pc1= Ilr2*Rc1=1.052*1.327=1.46W 输出电容损耗 Pc2= Irms2 *Rc=2.582*0.117=0.779W 线圈损耗，发热等杂散损耗约为 4W。 输入功率=输出功率+损耗功率=24+0.153+1.428+0.05+1.46+0.779+4=31.8
15、7W 效率 P 总=输出功率/输入功率=24/31.87=75.3%。8 结论本文分析了多种开关变换器典型拓扑结构，并分析了集成电路 UC3843 电流控制 模式控制器，阐述了一种大电压落差 DC/DC 变换开关电源系统，此系统为一种基于电 流型脉宽调制控制技术的反激式隔离开关电源。 通过理论分析和实验得出结论：（1）本设计用芯片 UC3843 作为 DC/DC 控制芯片， 其控制电路工作频率很宽，并能实现电路的自动稳压调节；（2）其主电路采用变换 器反激式电路，磁芯利用得十分充分，具有较高的系统效率。 （3）其整流电路采用二 极管采用肖特基整流二极管，正向压降低，反向恢复时间可以忽略不计的，
16、温升小。 （4）对于大电压落差的 DC/DC 开关电源，此种设计方法具有高稳定性、高效率、高 可靠性、低干扰等特点。9 致谢毕业设计已经接近尾声，在这两个多月的时间里，在何老师的辅导和同学的帮助 下，我们学到了许多在课堂上学不到的知识。我们的毕业设计对我们来说，有很多是 较陌生的领域，一切都要进行新的学习，而且是要马上消化进行应用的。在这个过程 中，我们遇到了许多问题，老师们都不厌其烦的给我们讲解，直到我们完全理解为止。 在此，衷心感谢老师们的帮助和支持还有同学的协助，他们为我营造了科学、严谨、 求实、进取的学习氛围，感谢他们对我所遇到的各种问题的热情解答。同时我衷心地 感谢我的同宿舍同学，他刻苦钻研、乐于助人、力争上游的精神给了我精神上的巨大支持。通过这次毕业设计，我们深刻体会到扎实的理论基础和丰富的实践经验是一个项 目完成的前提，也使我们认识到在以后的工作和学习中要牢牢这两点。只有不断的学 习实践，才能使自己由刚出大学校门的毕业生成为一个对祖国建设有用的工程技术人 员。参考文献1王志强.精通开关电源 设计，人民邮电出版社 200
