电子电气学院 学报 投稿 2

开关电源电路设计李竫，沈伟吉，高伟玲，顾佳坤，缪申捷，蔚兰（上海工程技术大学电子电气学院）摘要：本文从单端反激开关电源、单端反激变换器变压器、IGBT驱动电路，这三个方面入手，把开关电源电路细化、分类讨论设计。

本文用UC3844芯片设计单端反激开关电源电路，用316J芯片设计IGBT驱动电路。

组成了开关电源电路，解决了高频开关电源的控制。

关键字：单端反激开关电源； UC3844； 316J中图分类号：TM133文献标志码：The switching power circuit design LI jin, SHEN wei ji, GAO wei ling, GU jia kun, MIAO shen jie, YU lanCollege of Electronic Engineering, Shanghai University of Engineering Science Abstract：This article put emphasis on three aspects--single-ended flyback switching power supply, single-ended flyback transformers and IGBT driver circuit. Which goes deep into switching power supply circuit and discusses the design in categories. This article says using UC3844 to design single-ended flyback switching power supply circuit, and using 316J to design IGBT driver circuit. Thus build up the switching power supply circuit and solve the problem of the control of high-frequency switching power supply.Key words: single-end flyback converter switching power; UC3844; 316J0 引言随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的生活、工作有着密不可分的关系，而开关电源是设备中不可或缺的一部分。

在工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热等领域都能看到开关电源产品被广泛应用。

当1955年美国罗耶（GH.Roger)发明了自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，标志着实现高频转换控制电路的开始。

随后，在1957年美国查赛（Jen Sen)发明了自激式推挽双变压器，1964年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这一举动对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。

到了1969年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了25千赫的开关电源。

开关电源一般由脉冲宽度调节（PWM）控制和MOSTET构成，它是利用现代电力电子技术，控制开关管关断和导通时间的比率，维持稳定输出电压的一种电源。

开关电源的发展方向是将其高频化，高频化能使开关电源小型化，并使开关电源能适用在更广泛的领域，尤其是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。

另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

基于电流控制型PWM芯片UC3844的单端反激式开关电源是靠改变调整管的导电时间和截止时间的相对长短来改变输出电压的大小，它具有外围电路简单、安装与调试方便、性能优良等。

本文将利用AP法来确定磁芯的型号，并通过型号所提供的参数从而计算出变压器的原边、副边的匝数和所需要的气隙大小。

利用UC3844芯片搭建起震电路用来控制MOSEFT管从而调节变压器的输出。

本文还选用了316J芯片搭建起IGBT芯片的驱动部分用以提供更好的驱动环境和驱动电路性能的可靠性。

鉴于现有单端反激式开关电源设计多为一路或二路输出，本文将给出五路+18V 和-7V输出电路的设计方法。

1单端反激开关电源的设计1.1.单端反激式开关电源设计现有的电源主要由线性稳压电源和开关稳压电源两大类组成。

线性稳压电源的优点是稳定性好、输出电压精度高、输出纹波电压小。

不足之处是要求采用工频变压器和滤波器,其体积和重量都很大,并且调整管的功耗较大,散热难,使电源的效率大大降低,一般情况均不会超过50%。

开关稳压电源是一种新颖的稳压电源,是靠改变调整管的导电时间和截止时间的相对长短来改变输出电压的大小。

导通时,开关管工作在饱和状态,管压降很小,调整管的功耗为管压降与流过电流的乘积,因此,此时的功耗很低;截止时,电流极小,故功耗极小。

因此它比连续导电式线性稳压电源效率高,其调整管的工作频率高,大大减轻了变压器的体积和重量,尤其是在电网电压波动较大的情况下,仍能维持较稳定的输出。

开关电源的不足之处是电路比较复杂,技术难度大,开关管处于开/关状态,使其存在输出纹波电压高、瞬变响应较差、有电磁干扰等缺点。

主要靠技术和工艺措施来克服上述缺点。

近年来随着电源技术的飞速发展,高效率的开关电源已经得到越来越广泛的应用,大有取代线性稳压电源之势。

单端反激式变换以其电路简单、可以高效提供直流输出等许多优点,特图1所示的电路是一个多路输出型单端反激式开关电源, + 18 V用于反馈副边电压，5组+ 18V和-7V分别用于IGBT的驱动电源。

交流电源接通后经过整流得到的直流电压通过电阻R32组成启动电路, 当(C63 + C65)上的充电电压达到启动电压时电路启动。

当电容C63上的电压即UC3844的7脚电压高于16 V时为芯片提供大于16 V的启动电压芯片启动后由反馈绕组提供维持芯片正常工作需要的电压。

当电路正常工作时,由反馈绕组对UC3844的进行供电。

反馈电压不是来自输出电压,而是来自变压器原边侧的电压,因此有较快的响应速度。

当输出电压降低时,变压器的反馈绕组上产生的反馈电压也降低,该电压整流后经R29、R27进行分压，然后送入UC3844的引脚2,与基准电压比较后经误差放大器放大,使UC3844引脚6的驱动脉冲占空比增大从而使输出电压升高,以达到稳定输出电压的目的。

此电路具有过电流保护功能，当开关管Q1过电流时，电流取样电阻R38两端的电压经滤波后送入UC3844的脚3。

当R38上的电压达到1 V时，电流比较器动作使开关管Q1关断，从而实现过电流保护。

UC3844芯片内部振荡器的振荡频率由引脚8与4脚之间的电阻R31和4脚到地的电容C59来决定，即：593173.1CRf（1）由于UC3844内部有个分频器,所以驱动MOSFET功率开关管的方波频率为芯片内部振荡频率的一半。

图1中变压器原边旁的缓冲电路是由电阻R36、电容C67、二极管D3组成的，它们是用于限制高频变压器漏感造成的尖峰电压。

MOSFET功率开关管旁边的电阻R39、电容C68、二极管D4的作用是防止MOSFET在关断过程中承受过大的反向电压。

R29D2D1C62C66C65C63VFB2COMP18VREF4RT/CTOUTISENSE63VCC7GND5UC3844Q1R33R38D4R39C68R34C64R37R28R27R31C59C58C57D3C67R36R32R35DCDS4F1R30C60C61+18V+18V+18V+18V+18VGNDGNDGNDGNDGND-7V-7V-7V-7V-7V 图1 单端反激式开关电源单端反激式开关电源以MOSFET 功率开关管的周期性导通和关断为主要特征。

当开关管导通时,变压器原边绕组导通使原边电感线圈内不断储存磁能。

当开关管关断时,变压器将原边电感线圈内储存的磁能通过整流二极管向负载释放。

【1】此电路结构简单, 容易布线, 成本低。

但是UC3844的采样电压不是从输出端取到的，因此输出电压稳压精度不高只适合于用在负载较小的场合。

2.单端反激变换器变压器设计 2.1标称功率Pt 的确定 ηT P R =(2)8.0~7.0=η 2.2 功率容量Ap 的确定因为反激式变换器的功率较小，所以一般选用铁氧体磁心作为变压器，其功率容量A p 的计算公式如下CM M 6t Q e P 210K K B p A A A δη⨯=⨯=(3)式中：e A 是磁心截面积（2cm ） Q A 是磁心窗口面积（2cm ） T P 是变压器的标称输出功率（w ） m B 是磁心工作的磁感应强度（G ） δ是线圈导体的电流密度，通常取2~3 （2mmA）η 是变压器的效率，通常取0.8~0.9 m K 是窗口的填充系数，通常取0.2~0.4c K 是磁心的填充系数，对于铁氧体通常取1.02.3 磁芯型号的确定根据得出的A p ，选定磁心的型号，EE 型大都符合该要求，所以假设所得A p 为2则选定EE40型号的铁心型号。

2.4 最大占空比的确定 ()ds min or orMAX V V V V D -=(4)式中：or V 是反射电压（V ） min V 是电网最小值（V ）ds V 是开关管正向导通平均电压值，通常取10V2.5 原边匝数的确定根据所得的最大占空比数确定最大导通时间Ton .，以及原边的匝数Np eac on s P A B T V N ∆=(5)式中：p N 是原边匝数s V 是原边所加直流电压（V ） on T 是导通时间()s μ， fT 1=(6)f 是工作频率，通常取30K TD T MAX on =(7)ac B ∆是交变工作磁密（mT ）， f 为30KHz 时通常取234mTe A 是磁心有效面积（2mm ） 2.6 副边匝数的确定2.6.1 原边绕组每匝伏数确定 每匝伏安数确定如下ps N V (8) 2.6.2 副边匝数 每匝伏数x s V N =(9)式中：x V 是副边所需电压，其中包括输出电压，整流二极管压降一般取0.7V ，绕组压降和具体的输出电路有关，需自行确定。

因副边匝数由副边所需电压与每匝伏数比值求得，所以通常所计算出的副边匝数为小数，考虑到副边低压大电流，应避免使用半匝线圈又考虑到磁心磁路的饱和（E 型易饱和），使得变压器调节性能变差，应此取大的整数。

2.6.3 选定占空比下的辅助输出匝数 因副边取整的原因，每匝的反激电压发生变化，必须调节占空比维持伏秒值相等。

旧每匝伏数新每匝伏数新每匝伏数+=on T (10)匝数确定与副边相同 2.7 磁心气隙的确定2.7.1 原边电感的确定L 2p p A N L = (11)式中：L A是通过所选取的磁芯材料查表得到p N 是通过式5所求出的原边匝数 2.7.2 磁心气隙的确定 pe 2p g L A N L μ⨯⨯=(12)式中：g L 是气隙长度（mm ）0μ是7104-⨯πp N 是原边匝数 p L 是原边电感（mH ）e A 是磁心面积（2mm ）下面为五路+18V 和-7V 输出具体计算数据t P 为11.35W p A 为0.1012由于考虑到多路输出的因素所以选择ER42磁芯p N 为34匝(25V)s N 为9匝 (18V )s N =6匝p L 为6.17mHg L 为0.056mm对于+18V 与-7V 的只要在25V 的副边中拉一抽头即9匝分为6匝为3匝3 IGBT驱动电路和芯片选择驱动电路它分为：分立插脚式元件的驱动电路；光耦驱动电路；厚膜驱动电路；专用集成块驱动电路。