可设定最大输出电流的反激式变换器

张 波，汪义旺，李 响

(1.苏州市职业大学 电子信息工程学院，江苏 苏州 215104；2.江苏省光伏发电工程技术研究开发中心，江苏 苏州 215104)

单端反激式开关电源由于结构简单、需用的元件少、成本低、体积小，可方便地实现隔离和易于实现多路输出等众多优点[1]，在直流电源中有不可替代的地位.在输出功率不太大的场合用的几乎全是反激式开关电源，如电视机电源、笔记本电脑电源、小功率充电器等[2].但目前单端反激式开关电源在输出电压恒定的前提下允许的最大输出电流值有限且不能设定.针对这一缺点，本文设计了一款输出电压恒定时最大输出电流大且在很大范围内可任意设定的反激式开关电源.

1 电流模式的反激式变换器

单端反激式是输入输出隔离型的一种单管DC/DC变换器，如图1所示.功率开关管Q、高频变压器T，二极管VD、电容C构成单端反激式变换器的主电路.单端是指变压器只有单一方向的磁通，仅工作在其磁滞回线的第一象限[2].开关管Q导通时，变压器T原边电势上高下低，变压器副边电势上低下高，二极管VD不导通，副边无电流，变压器T原边仅作为电感储能；开关管关断时，变压器副边感应电压极性翻转，VD导通，变压器存储的磁能通过副边供给负载.所以称之为反激式变换器.从电路工作过程看，单端反激式变换器可认为是非隔离式的Boost-Buck变换器电感换成变压器.设占空比为D，n为变压器边变比，其输出电压与输入电压之间关系为U0=DUi/n(1-D).

图1 电流模式反激式变换器

开关电源的控制方式有电流模式和电压模式两种.电压模式的开关电源反馈信号只有输出电压信号，为单闭环系统.电压反馈信号与幅值和频率固定的锯齿波信号相比较形成PWM信号来调节占空比使输出电压稳定.相对于电压模式，电流模式反馈信号既有电压信号也有电流信号，是双闭环系统[3].图1中时钟信号起始时刻使锁存器(触发器)输出高电平决定开关管Q的导通时刻，开关管的关断时刻则由电压电流双闭环系统决定[4].输出电压U0经电阻分压后送到误差放大器的反向输入端，误差放大器同向输入端是结定电压信号，误差放大器的输出Ue送至PWM比较器的反向输入端；RS是电流取样电阻，RS和变压器T原边串联，电流取样信号送至PWM比较器的同向输入端；PWM比较器翻转为高电平时锁存器输出翻转为低电平使开关管关断.当输出电压变小时，Ue就变大，使比较器翻转为高电平所需的电流反馈信号也比较大，开关管导通的时间变长，占空比增加使输出电压增加；反之输出电压较大时，占空比变小，输出电压下降.误差放大器放大倍数很大，所以给定电压、反馈电阻分压电路确定后输出电压就能稳定.输出电压稳定时，同样的输出电压，RS越小使PWM比较器翻转为高电平所需的变压器原边电流越大，开关管导通的时间越长，变压器原边储存的能量也越大，负载可获得的功率也就越大，允许的最大电流也越大.假定误差放大器输出Ue已达其最大值，变压器原边电流总是到达一定值时使开关管Q关断，RS较大时，开关管Q导通时间短，变压器原边储能少，负载能获得的能量少，重载时输出电压会下降，不再能稳压输出.

2 UC3843的功能及特点

UC3843是一种固定频率的电流模式的高性能集成控制器，常见的有DIP-8和SO-14两种封装，其内部结构框图如图2所示，右边的数字对应于SO-14封装.该集成电路带有振荡器、高增益的误差放大器、电流取样比较器、带温度补偿的参考电压和大电流图腾柱输出，可直接驱动MOS管.1脚是误差放大器的输出端，和2脚之间外接阻容元件用于改善误差放大器的性能，芯片内1脚输出经二极管和电阻分压后送至电流比较器的反向输入端，反向输入端接有稳压二极管，使得其最大电压不超过1 V；2脚是芯片内部误差放大器的反向输入端，接受电压反馈信号，此脚电压与芯片内误差放大器同相端的基准电压进行比较，产生误差电压；3脚为芯片内电流检测比较器的反向输入端，作为电流反馈的输入端；4脚为定时端，内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定，图2中电阻电容连接方式可认为是固定用法；5脚为公共地端；6脚为推挽输出端，内部为图腾柱式，可提供±1 A的峰值驱动电流和典型值为50 ns的上升下降时间；7脚是直流电源供电端；8脚为5 V基准电压输出端，有50 mA的负载能力.

图2 UC3843内部结构框图

UC3842、UC3843、UC3844和UC3845结构功能上大同小异.UC3843和UC3842的区别在于UC3843专为低压应用而设计，UC3843低压锁定门限为8.5 V通(启动)和7.6 V关断，而UC3842分别为16 V通和10 V断；UC3842(3)和UC3844(5)区别于UC3842(3)输出的PWM信号的最大占空比可接近100%，而UC3844(5)最大占空比只能接近50%，这使得UC3842(3)和UC3844(5)在一些场合下不能互换使用[5].

3 可设定最大输出电流的反激式开关电源的设计

由上述分析可知，在电源输出功率允许的范围内和输出电压恒定的条件下，要使变换器允许的最大输出电流大，就要选用阻值小的电流检测电阻，要使最大输出电流可任意设定就要求采用电流检测电阻的阻值可调节.电流检测电阻和变压器原边串联，要承受的电流比较大.阻值比较小的可调电阻又要承受较大的电流，这样的电阻难以获得.可设计如下控制电路来解决这一问题.具体办法：电流检测电阻采用阻值为毫欧级的电阻(一般在1～6 mΩ内视情况选取)，取样后电压信号不直接送至集成控制器UC3843的电流取样端，而通过集成运放放大后再送至UC3843的电流取样端，集成运放放大倍数很大范围内可调.具体电路如图3所示，集成运放采用LM358，当然也可选取其它集成运放.

图3中主电路为单端反激式，由高频变压器T1、功率开关管Q1(MOS管)、肖特基二极管D4、滤波电容C8与C9构成.RS为电流检测电阻.控制电路以UC3843为核心实现.输出电压经电阻R13、可调多圈电阻RV和电阻R6分压后送至UC3843的误差放大器反向输入端2脚，调节RV就可改变输出电压.LM358集成有2个独立的高增益的具有内部斜率补偿的运算放大器，图3中只用其中的1个，1脚、2脚和3脚分别为该运算放大器的输出引脚、反相输入端和同相输入端.电流检测电阻RS上的电压信号通过R11送至LM358的3脚.可调多圈电阻RA、电阻R12、电阻R15、电阻R11、电阻RS和LM358构成一个比例放大器，调节RA可改变比例放大器放大倍数，这样就改变了LM358的1脚送至UC3843的3脚的电流检测信号，从而实现恒压输出时在一定范围内任意设定其允许的最大输出电流.由于有放大环节，本方案中电流检测电阻采用毫欧级(一般在1～6 mΩ内视情况选取)，普通的反激式开关电源的电阻值为0.2～0.6 Ω.调节RV使电源轻载时输出电压略大于想要的电压值，在电源不损坏前提下电源重载，使负载上电压略小于想要得到的输出电压，这时调节RA可增加负载上电压，负载电压增加至想要得到的电压时，加重负载再调RA，直到调节RA将要无法使负载上电压达到想要的电压值，此时在该电压下电源允许输出的电流值最大；要改变在该电压下允许的最大电流，只要反方向调节RA即可.普通的反激式开关电源仅依赖0.2～0.6 Ω电流检测电阻，很难使输出电压稳定时允许的输出电流最大，更无法改变其允许的最大输出电流.本方案输入输出未隔离，稍改动电压采样电路如加上一个光耦之类的隔离元件即可实现隔离.图3中电阻R1、R2、R3、R4，功率管Q2，稳压管D2、D3等构成的电路是给两芯片供电的.

图3 可设定最大输出电流的反激式开关电源图

经测试该电路输入电压在12～60 V变化时，输出电压可升降至12～80 V内稳定工作.最大功率达300 W以上.电压恒定时允许输出的电流在很大范围内连续可调.电路效率达90%以上.

4 结论

同样额定电压的负载，允许的最大电流不同时，采用这一措施后同一个电源供电，调节电源允许的最大输出电流后两种情况下对负载都能起到保护作用；对电源本身来说，采用这一方案后，配合电压调节功能使电源在不同的输出电压下输出电流都能达到最大，达到电源允许的最大输出功率.这一方案很大程度上提高了电源的通用性.

［1］刘毅莉，付贤松，张金建，等. 一种有稳定输出的单端反激式LED开关电源的设计［J］. 天津工业大学学报，2012，31(3)：52-55.

［2］赵修科. 实用电源技术手册：磁性元件分册［M］. 沈阳：辽宁科学技术出版社，2002.

［3］陈德康. 脉宽调制器UC3842在开关电源中的应用［J］. 西南科技大学学报，2005，20(2)：27-30.

［4］赵涛，刘汉忠，张永号，等. 电流模式控制正激变换器的建模及设计［J］. 电力电子技术，2013，47(8)：4-6.

［5］翟红，莫金键. 基于UC3843 的宽范围输入转换开关电源的设计［J］. 苏州大学学报：工科版，2011，31(6)：70-75.