礦用寬輸入開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)研究

周波++賈文超

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)礦用寬范圍輸入開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)，通過(guò)比較目前常用的幾種直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，建立了反激式開(kāi)關(guān)電源模型。然后采用UC3842芯片進(jìn)行控制電路的研究設(shè)計(jì)，達(dá)到礦用寬輸入的要求。利用仿真軟件Saber進(jìn)行電路原理圖的仿真，其仿真的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所設(shè)計(jì)的礦用寬范圍輸入開(kāi)關(guān)電源的正確性和可行性。

關(guān)鍵詞：反激式；開(kāi)關(guān)電源；UC3842；寬范圍輸入

中圖分類號(hào)：TD611 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.01.018

隨著開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的飛速發(fā)展，很多場(chǎng)合都利用到開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源高效率、小型化、高適應(yīng)性是其未來(lái)發(fā)展的方向。礦井環(huán)境惡劣，對(duì)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)要求很嚴(yán)格。由于反激式開(kāi)關(guān)電源大部分是小功率的，功率一般在幾十至一百多瓦之間，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用體積較小，質(zhì)量較輕，多被應(yīng)用于小功率器件中，而且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸入調(diào)壓范圍寬廣，可以達(dá)到礦井下要求的寬輸入開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)要求。

在控制方面，本文使用UC3842芯片，采用PWM脈寬調(diào)制方法，從而達(dá)到對(duì)寬輸入恒輸出的要求，確保在惡劣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)90～265 VAC輸入、恒壓DC24 V輸出的要求。

1 礦用寬范圍輸入開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由輸入濾波電路、主功率電路、控制電路等組成。其中，主功率電路是由反激變換電路、整流電路和輸出濾波電路3部分組成，控制電路部分包括控制回路部分和反饋回路部分。

1.2 反激式變換器工作原理

圖2所示為反激式變換器工作原理圖。

主輸出Vom和輔輸出VO1，Vom連接反饋電路，將V采樣和V參考進(jìn)行比較，控制芯片分析誤差信號(hào)，導(dǎo)通時(shí)間由Q1決定。

反激式開(kāi)關(guān)電源工作模式包括斷續(xù)工作模式（DCM）和連續(xù)工作模式（CCM）2種，電路由PWM脈沖輸入，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，變壓器原邊有輸入電壓，繞組儲(chǔ)能。開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)能向負(fù)載流動(dòng)。如果能量在下一個(gè)脈沖來(lái)之前放完，是為DCM模式，沒(méi)放完就是CCM模式。前者優(yōu)點(diǎn)為具有小體積高頻變壓器。本設(shè)計(jì)中反向電壓還沒(méi)出現(xiàn)，I二極管=0，考慮到減少EMI，所以我們選用DCM模式。

由上可得，反饋控制在VDC或者RO變大時(shí)減少，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整VOUT的目的。

1.3 控制芯片UC3842原理

UC3842是單電源供電、帶電流正向補(bǔ)償、單路調(diào)制輸出的集成芯片，主要用于高頻中小容量的開(kāi)關(guān)電源。從內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖可以很清晰地看出，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(diào)制鎖存等功能電路。通過(guò)UC3842所建立的開(kāi)關(guān)電源控制電路中，控制閉環(huán)回路有電壓、電流2種控制模式，通過(guò)反饋電壓反饋到電壓比較器上是電壓控制環(huán)的組成部分，然后再與芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓比較，比較后產(chǎn)生誤差電壓；誤差電壓又反饋到誤差比較器的反向輸入端，構(gòu)成PI補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。電流控制環(huán)是由變壓器初級(jí)電流經(jīng)采樣電阻產(chǎn)生的電流采樣電壓與誤差放大器輸出端產(chǎn)生的誤差電壓對(duì)比，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)。此脈寬調(diào)制信號(hào)用來(lái)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)斷。當(dāng)輸出電壓變化時(shí)，就會(huì)改變開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，占空比因此被改變，從而達(dá)到輸出穩(wěn)定電壓的目的。芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

如圖4，總體電路設(shè)計(jì)了主電路部分、控制電路部分、反饋電路部分、啟動(dòng)電路部分等，利用單端反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為主電路設(shè)計(jì)的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該電路具有輸入電壓范圍寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)。在功率開(kāi)關(guān)管的選擇方面，采用N-MOSFET STP9NK70ZFP（700 V，5 A）作為功率開(kāi)關(guān)管；在次級(jí)二極管的選擇方面，采用肖特基二極管SR540（40 V，5 A）作為次級(jí)整流二極管?？刂齐娐返脑O(shè)計(jì)是整個(gè)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的核心，其控制的優(yōu)良直接決定開(kāi)關(guān)電源的性質(zhì)。輸入交流電先經(jīng)過(guò)電磁干擾濾波器濾除電網(wǎng)的諧波，然后經(jīng)過(guò)整流橋整流變換成直流高壓，電阻R2為啟動(dòng)電阻，電壓通過(guò)R2向UC3842供電，使其開(kāi)始正常工作，并向其提供穩(wěn)定的電壓。由R12、C9、VD2組成有源鉗位吸收電路，主要用于吸收高頻變壓器初級(jí)繞組產(chǎn)生的尖峰電壓，VD4、C10輸出端整流濾波，使其輸出穩(wěn)定直流電壓。

3 系統(tǒng)仿真分析

通過(guò)之前的理論研究，確定了主電路的基本設(shè)計(jì)，其中，輸入90～265 VAC，輸出直流電壓24 V，且紋波慮小于1%.輸出電壓波形如圖5所示。

由圖5可以清晰地看出輸出+24電壓在0～100 ms內(nèi)的電壓波形圖基本符合輸出電壓的指標(biāo)。下面放大波形圖，截取91.0～95.0 ms時(shí)段，電壓在范圍內(nèi)的波形如圖6所示。

圖6清晰地反映了輸出電壓24 V波動(dòng)較小，波動(dòng)大概為0.015 V，紋波率小于1%，紋波電壓小于24 mV，均符合要求。

91.9～92.05 ms變壓器原邊電流波形如圖7所示。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)是礦用寬范圍輸入開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)，在礦井下惡劣的環(huán)境中，要實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)定輸出，而且考慮到外界一些干擾因素，要想把開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)好，不是件容易的事情。因此，每部分必須嚴(yán)格、細(xì)致地設(shè)計(jì)，才能實(shí)現(xiàn)寬范圍、穩(wěn)壓輸出、穩(wěn)流輸出。本設(shè)計(jì)采用單端反激式開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)設(shè)計(jì)了電源架構(gòu)，仿真的結(jié)果證明了方案正確，成功設(shè)計(jì)出了電壓輸入90～265 VAC轉(zhuǎn)變?yōu)?4 V直流輸出的反激式開(kāi)關(guān)電源。

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〔編輯：劉曉芳〕