单端反激开关电源原理与设计

第３３卷第５期电字工毫师

Ｖ０１．３３Ｎｏ．５

２００７年５月

ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＥＮＧＩＮＥＥＲ

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单端反激开关电源原理与设计

林晓伟

（国电南瑞科技股份有限公司，江苏省南京市２１００６１）

摘要：单端反激开关电源具有输出纹波小、输出稳定、体积小、重量轻、效率高以及具有良好的动态响应性能等许多优点，被广泛应用在小功率开关电源的设计中。ｕｃ３８４２是Ｕｎｉｔｏｒｄｅ公司推出的电流型脉宽调制器，该调制器单端输出，可以直接驱动双极型功率管或场效应管，适用于无工频变压

器的２０Ｗ一８０Ｗ的小功率开关电源的设计。文中介绍了利用该集成芯片实现的具有双闭环电流（外

回路和内回路）反馈系统的单端反激开关电源的原理和设计方法。

关键词：单端反激式开关电源；双闭环反馈；光耦隔离中图分类号：ＴＮ８６

Ｄ１

Ｌｌ

Ｏ引言

近年来随着电源技术的飞速发展，开关稳压电源

正朝着小型化、高频化、继承化的方向发展，高效率的

开关电源已经得到越来越广泛的应用。单端反激式变

换器以其电路简单、可以高效提供直流输出等许多优

点，特别适合设计小功率的开关电源。

本文简要介绍了Ｕｎｉｔｏｒｄｅ公司生产的电流型脉宽图１

电流型反激式变换器的基本原理

调制器Ｕｃ３８４２，介绍了该芯片在单端反激式开关电源图中：Ａｌ为误差放大器；Ａ２为电流检测比较器；中的应用，对电源电路进行了具体分析。利用本文所Ｕ２为ＲＳ触发器；以为输出电压玑的反馈取样，该反述的方法设计的小功率开关电源已经应用在国电南瑞馈取样与基准电压ｕ。，通过误差放大器Ａｌ产生误差

科技股份有限公司工业控制分公司自主研发的分散控

信号玩（该信号也是Ａ２的比较箝位电压）。

制系统ＧＫＳ．９０００中，运行状况良好，各项指标均符合

设场效应管Ｑ１导通，则电感电流ｉ。以斜率以儿

实际工程的要求。

线性增长，Ｌ为Ｔｌ的原边电感，电感电流在无感电阻１

反激式开关电源基本原理

Ｒ１上采样“ｌ－Ｒ，ｉ。，该采样电压被送入电流检测比较器Ａ２与来自误差放大器的玑进行比较，当Ｈ。＞玑单端反激开关电源采用了稳定性很好的双环路反

时，Ａ２输出高电平，送到ＲＳ触发器ｕ２的复位端，则馈（输出直流电压隔离取样反馈外回路和初级线圈充

两输入或非门ｕ１输出低电平并关断Ｑ１；当时钟输出磁峰值电流取样反馈内回路）控制系统，就可以通过高电平时，或非门ｕｌ始终输出低电平，封锁ＰｗＭ，在开关电源的ＰｗＭ（脉冲宽度调制器）迅速调整脉冲占

振荡器输出时钟下降的同时，或非门ｕｌ的两输入均空比，从而在每一个周期内对前一个周期的输出电压为低电平，则Ｑｌ被打开。

和初级线圈充磁峰值电流进行有效调节，达到稳定输

因此，从上面的分析可以看出，电流型ＰｗＭ信号

出电压的目的。这种反馈控制电路的最大特点是：在

的上升沿由振荡器时钟信号的下降沿决定，而ＰｗＭ输入电压和负载电流变化较大时，具有更快的动态响的下降沿则由电感电流的陷值信号和来自误差放大器

应速度，自动限制负载电流，补偿电路简单。反激电路的误差信号共同决定，其工作时序如图２所示。

适应于小功率开关电源，其原理图如图１所示。

单端反激式开关电源以主开关管的周期性导通和

下面分析在理想空载的情况下电流型ＰＷＭ的工关断为主要特征。开关管导通时，变压器一次侧线圈作情况。与电压型的ＰｗＭ比较，电流型ＰｗＭ又增加内不断储存能量；而开关管关断时，变压器将一次侧线

了一个电感电流反馈环节。

圈内储存的电感能量通过整流二极管给负载供电，直收稿日期：２００６旬８．２９；修回日期：２００７ｍ．１１。

到下一个脉冲到来，开始新的周期。

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方数据・３３・

・基本电子电路・电亭工篮师

２００７年５月

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圈２后瀚由路的工作漓形

开关电源中的脉冲变压器起着非常重要的作用：

一是通过它实现电场一磁场一电场能量的转换，为负

载提供稳定的直流电压；二是可以实现变压器功能，通过脉冲变压器的初级绕组和多个次级绕组可以输出多路不同的直流电压值，为不同的电路单元提供直流电量；三是可以实现传统电源变压器的电隔离作用，将热地与冷地隔离，避免触电事故，保证用户端的安全。

开关电源设计中最重要的环节就是反馈回路的设

计，反馈回路设计的好坏直接决定了开关电源的精度

和稳定性能。前面已经介绍了单端反激开关电源采用的是双环路反馈。以下将介绍利用电流型ＰｗＭ芯片ｕｃ３８４２设计开关电源的两种反馈回路时需要注意的一些问题。

ｕＣ３８４２是一种高性能的固定频率电流型脉宽集成控制芯片，是专为离线式直流变换电路设计的。其主要优点是电压调整率可以达到０．ｏｌ％，工作频率高达５００ｋＨｚ，启动电流小于ｌｍＡ，外围元件少。它适合做２０ｗ～８０ｗ的小型开关电源。其工作温度为Ｏ℃～７０℃，最高输入电压３０Ｖ，最大输出电流１Ａ，能驱动双极型功率管和ＭＯｓＦＥＴ。ｕＣ３８４２采用ＤＩＰ一８形式封装。其内部结构框图和各引脚的功能见有关手ＵＣ３８４２的典型应用电路如图３所示。

图３单端反激开关电源典型电路・３４・

万　

方数据该电路的工作原理是：直流电压加在Ｒｉｎ上，降压后加在ＵＣ３８４２的引脚７上，为芯片提供大于１６Ｖ的启动电压，当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。当输出电压升高时，单端反激变压器Ｔｌ的反馈绕组上产生的反馈电压也升高，该电压经Ｒ１和Ｒ３组成大分压网络，分压后送人ＵＣ３８４２的引脚２，与基准电压比较后，经误差放大器放大，使ｕＣ３８４２引脚６的驱动脉冲占空比减小，从而使输出电压降低，达到稳定输出电压的目的。

此电路结构简单，容易布线，成本低。但是，

ＵＣ３８４２的采样电压不是从输出端取到的，输出电压稳．压精度不高，只适合于用在负载较小的场合。

为克服上述问题，可以对上述反馈电路进行改进，采用光耦和电压基准进行反馈控制，可以极大地提高开关电源的稳定性和精度。采用这种方法进行反馈控制时需要从副边绕组输出端进行取样，电路见图４。

图４输出直流电压隔离取样反馈外回路

电压采样及反馈电路由光耦Ｐｓ２７０１、ＴＬ４３１和阻

容网络组成，图中Ｒ５和Ｃ５用于ＴＬ４３ｌ的频率补偿，

不能缺少。通过调节由Ｒ６，Ｒ７组成的分压网络后得到采样电压，该采样电压与三端可调稳压块ＴＬ４３ｌ提供的２．５Ｖ基准电压进行比较，当输出电压正常时，采样电压与ＴＬ４３１提供的２．５Ｖ电压基准相等，则ＴＬ４３ｌ的Ｋ极电位保持不变，从而流过光耦Ｕ３二极管的电流不变，进而流过光耦ＣＥ的电流也不变，ｕｃ３８４２引脚２的反馈电位以保持不变，则引脚６输出驱动的占空比不变，输出电压稳定在设定值不变。当输出５Ｖ电压因为某种原因升高时，分压网络上得到的输出电压采样值会随之升高，从而ＴＬ４３ｌ的Ｋ极电位下降，流过光耦二极管的电流增大，进而流过ｃＥ的电流增大，从而ＵＣ３８４２的引脚２的电位升高。由ＵＣ３８４２内部示意图可知：误差放大器Ａ１的输出电压玑减小，亦即电流检测比较器钳位电压减小，所以由图２可知：ＵＣ３８４２引脚６输出驱动的占空比减小，从而使输出电压减小，这样就完成了反馈稳压的过程。

初级线圈充磁峰值电流取样反镄内回路

初级线圈充磁峰值电流取样的内回路反馈也是开

２反激式开关电源设计一

２．１输豳直流电压隔离取样反馈外圆路

册。

２．２

第３３卷第５期林晓伟：单端反激开关电源原理与设计・基本电子电路・

关电源设计起决定作用的环节，如果内回路反馈设计不符合电路要求，开关电源就无法正常工作。

设计内回路反馈时，需要在开关管上串联一个以地为参考的取样电阻Ｒｓ（见图１、图４中的Ｒ１和图３中的Ｒ８），将初级线圈的电流转换为电压信号，此电压由电流检测比较器Ａ２监视并与来自误差放大器Ａ１的输出电平比较。

在正常的工作条件下，峰值电感电流由引脚１上的电压控制，其中：

比较器。Ｌ型ＲＣ低通滤波网络的上限截止频率为：

以＝去

（６）

从低通滤波器的对数幅频特性可知，当输入信号频率低于五时，输出信号与输入信号几乎完全相同；

当输入信号频率高于以时，输出信号会大幅度衰减。

利用示波器可以测量Ｒｓ采样电阻上的信号频率，因此，选择低通滤波器的ＲＣ参数时必须要保证Ｒｓ电阻上正常的采样电压不能被滤波器衰减。

设计开关电源时，如果Ｒｃ参数选择不当，使滤波

’，Ｐ＝‰≯

部钳位至１．０Ｖ，则

（１）

器的上限截止频率以偏小，导致正常的Ｒｓ采样信号

被衰减，这样当负载增大时，ＰｗＭ无法将控制脉冲的占空比调大，变压器会因为负载过重而发生啸叫。为解决这一问题，将滤波电容Ｃ的取值减小，进而提高

当电源输出过载或者输出取样丢失时，异常的工作条件将出现，在这些条件下，电流比较器的门限被内

‘～＝学

变压器初级线圈流过的最大电流：

（２）

＾，使正常的Ｒｓ采样信号通过滤波器，当负载加重时，开关电源可以很好地稳压，变压器的啸叫现象也没有出现。

而开关电源初级线圈最大峰值电流为短路保护时

‘一乩３，ｐ＝宅争

号占空比；Ⅳ为电源效率。

根据式（２）、式（３）可以推算：

３结束语

（３）

开关电源的设计是一个实践性很强的课题，本文给出的方法仅作为一种参考，许多实际问题需要在实践中不断加以总结和完善，只有通过实践才能使设计不断臻于完美。

参考文献

式中：Ｌ为初级线圈电感电流；尸。。为开关电源设计输出功率；Ｋ。为开关电源输入电压；Ｄ为ＰｗＭ的输出信

耻芒＝拦

取样电阻的功率：

㈩

［１］张占松，蔡宜三．开关电源的原理与设计［Ｍ］．北京：电子

工业出版社，１９９８．

［２］叶慧贞．开关稳压电源［Ｍ］．北京：国防工业出版社，

根据计算得出的Ｒｓ阻值可以进一步计算出电流

Ｐ（Ｒ。）＝寺

１９９８．

（５）

［３］胡存生，胡鹏．集成开关电源的设计制作调试与维修

［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，１９９５．林晓伟１９８２－），男，研究方向为嵌入式系统。

选定电流取样电阻后，需要通过一个Ｌ型的ＲＣ低通滤波网络，将这个采样信号送给ｕＣ３８４２的电流

ＰｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄＤｅｓｉｇｎｏｆＳｉｎｇｌｅ－ｅｎｄＦｌｙｂａｃｋＳｗｉｔｃｈｉｎｇＰｏｗｅｒ

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（ＮＡＲＩＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＤｅＶｅｌｏｐｍｅｎｔＣｏＬｔｄ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００６１，Ｃｈｉｎａ）

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ｓｍａｕ痢ｔｅｈｉｎｇｐｏｗｅｒｆｒｏｍ２０Ｗｔｏ８０Ｗ．，Ｉ＇ｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ

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ｂａｃｋｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄＵＣ３８４２，ｗｈｉｃｈｈａｓｔｈｅｆｅｅｄｂａｃｋｏｆｄｏｕｂｌｅｃｌｏｓｅｄｌｏｏｐｃｕⅡ．ｅｎｔ．

ｃｏｕ—

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｉｎｇｌｅ—ｅｎｄｎｙｂａｃｋｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒ；ｔｈｅｆｅｅｄｂａｃｋｏｆｄｏｕｂｌｅｃｌｏｓｅｄｌｏｏｐ；ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ

ｐｌｉｎｇ

万方数据　

・３５・

单端反激开关电源原理与设计

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

林晓伟， LIN Xiaowei

国电南瑞科技股份有限公司,江苏省南京市,210061电子工程师

ELECTRONIC ENGINEER2007,33(5)3次

参考文献(3条)

1. 胡存生;胡鹏 集成开关电源的设计制作调试与维修 19952. 叶慧贞 开关稳压电源 1998

3. 张占松;蔡宜三 开关电源的原理与设计 1998

引证文献(3条)

1. 廖丹. 杨建强. 金鑫 激光陀螺电源中数字化负高压源设计[期刊论文]-传感技术学报 2010(4)

2. 王丙会. 吕玉祥. 薛辉. 杨北革 一种基于UC2844的单端反激式高频稳压开关电源[期刊论文]-电子技术 2010(7)3. 宋鑫. 马小平. 牛洁茹 RCD箝位反激变换器的研究[期刊论文]-工矿自动化 2010(11)

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dzgcs200705011.aspx