基于UC3842的多路输出电压型开关电源设计
(1.东北电力大学电气工程学院电子信息科学与技术10级毕业生，吉林，吉林 132012；
2. 东北电力大学电气工程学院，吉林，吉林 132012)
摘 要： 电源设备是电力电子技术的一个重要应用领域。目前，随着电源技术的蓬勃发展，开关电源朝高频
化、集成化的方向前进。与线性稳压器相比，虽然开关电源设计比较复杂，某些指标可能比不上线性稳压器，且噪声较大，但是高频开关稳压电源由于具有体积小、重量轻、效率高、性能稳定等突出优点而备受青睐，得到了广泛的应用。
关键词： 开关电源；反激式；高频变压器 中图分类号：TM 713 文献标识码：A
1 引 言
由于电子技术的快速向前发展，电子系统在各个领域越来越广泛应用，各种各样的电子设备也随之增多，电子设备与人们工作、生活的关系日益密切。电源已成为每个用电设备的心脏部分，任何电子设备都不可能离开可靠的电源，并且对电源的要求越来越高。
目前，电力电子技术作为节能、自动化、智能化、机电一体化等技术的基础，正朝着硬件结构模块化、产品性能数字化、应用技术高频化的方向发展，开关电源的外部形状、内部结构都是由储能元件、磁性元器件等决定，所以开关电源的小型化就是要减小其中元器件的体积。并且在一定范围内，提高开关的频率，不仅有利于抑制干扰，改善性能，而且能有效减少电容、电感和变压器的尺寸，所以高频化是开关电源的主要开发重点之一
[2~3]
[1]
。
2 开关电源的研究现状
我国的开关电源在上个世纪六十年代初研发工作才开始起步，到六十年代中期进入了实用性阶段，七十年代初期能够自主研发无工频降压型开关电源。在近二十几年中，我国的许多研发中心、企业及高等大学己经成功制造出型号在 20kHz 左右工作频率的多种电源，其输出功率在一千瓦以下，并广泛用在电脑、手机无线设备、MP4 视频播放器等方面，取得了较大的成果。上世纪八十年代初期开始研发工作频率为 200kHz 的高频开关电源，九十年代初就已研制成功，而且逐渐走向实用阶段和再进一步提高工作频率。许多年来，虽然我国在开关电源方面作了很大的努力，并取得了较大的成果。但是，目前我国的开关电源方面的技术与一些先进的国家相比仍有相当大的差距
[4~6]
。
3开关电源设计的理论基础
3.1开关电源的基本工作原理
反激开关电源如下图所示，当功率开关管 VT 导通时，输入端的电能以磁能的形式储存在变压器的初级线圈
中，由于同名端关系，次级侧二极管
不导通，负载没有电流通过。当功
率开关晶体管VT断开时，变压器次级绕组以输出电压 为负载供电。正激型开关电源当初级
[7]
绕组开关S导通时，次级绕组有电流通过，变压器释放能量。
C VT R 图3-1 反激变换器
反激变换器与正激变换器除了工作原理不同外，在电路结构上比正激变换器少了一个续流二极管和一个电感储能滤波器。没有磁复位绕组，这是因为在变换器反激期间，二次侧绕组和整流对二极管构成电流回路，同时完成了磁复位功能。反激式变换器输出纹波电压大，电压和电流调整率低，要提高性能指标，可以增滤波电容和辅助LC滤波器。
[8]
4电路主要参数设计
4.1相关元器件计算
电路主要参数设计：
MOSFET 开关管工作最大占空比：
式中：
为副边折射到原边的反射电压，当输入为 AC220v 时反射电压为 135v；
为 MOSFET 功率管导通时 D 与 S 极间的电压。
为整流后的最低直流电压；
功率开关管 S：
功率开关管采用高频特性好，低内阻的场效应晶体管，因为开关管工作速度快，输入阻抗高，功耗小，受温度影响小，驱动电路工作于 300V 电压，考虑到高频变压器的反向电动势约 200V，线圈漏感引起的尖峰电压约为 200V，所以功率管的反向击穿电压应选用大于 800V 的高反应场效应管，输出电阻值低，功率管的最大漏极电流应考虑整个电源的输出功率，在本电源中输出功率小，可选用MTPTN50。
功率开关管上承受的电压应力和电流应力分别为
整流二极管 D：
整流管需满足最大整流电流和反向电压，选择恢复时间短和开关损失小的整流管。它的作用是阻止启动时输入电压对死负载供电，使得电容上的电压迅速上升，从而使 UC3842 快速启动。
D 中电流值与有效值均为副边绕组电流的峰值和有效值，即
输出电容
：
=50 为纹波电压，得
≈900μ
用于抑制共模噪声的电容可用陶瓷式电容耐压在 400V 以上 1000-4700pf 的无极式电容，串模噪声的频率较低，抑制该类噪声应用 0.1功率的 5%来设计，死负载大小为：
到 0.22
的电容。死负载
：
反激变换器不可以空载，所以在自馈电绕组一路接死负载 R9，死负载消耗的功率按额定
滤波电感的选取:
为消除输出电压纹波，需要在输出中加 LC 噪声滤波器。取导线电流密度j =5A/导线截面积为
稳压管：
IN4935 反向峰值电压 200V，平均整流电流为 1A，稳压于 340V 一下，用于过电压保护，反向恢复时间为 200ns；MUR110 反向峰值电压 100V，平均整流电流 1A，反向恢复时间为 35ns。
输入电容：
输入电容的一个参数就是容量，滤波电容的容量根据电源的输出功率而定，在反激式电源
≈ ，选取线径 d = 0.51mm的漆包铜线，用小磁环绕制。
[9]
，L
中经验值为 取制值为输出功率值瓦特数乘上1,另一个参数为耐压值，它的耐压应该大于
整流以后的峰值。
4.2反激式高频变压器的设计
本文反激式高频变压器的设计步骤如下： (1)计算最大占空比
本设计的开关电源输入交流电压范围为 110～250V，经单相全波整流与滤波后直流输入电压的最大值、最小值分别为脉冲信号最大占空比的公式
≈340V、
≈150V。开关电源产生的发向电动势 E≈170V。
把上面参数代入算得
（2）选取磁芯
用 AP 法选取磁芯型号。已知=80%，=0.35，
=0.531，对于反激式开关电源，
=34W，
的取值范围为 0.2～0.4，这里取
=0.25T，
=0.7，
。代入得：
值介于 0.2～0.3，现取
，这里取 J=400A/
f=50KHz，电流密度 J 的取值范围是 200～600A/
=0.509（
相差0.071
） （4—11）
。两者
。
根据算得的AP值，从表4.1中查出与之最接近的最小磁芯为EI28，其AP=0.58
，但考虑到磁芯损耗等因素，可以选择，此时 Ae=0.83
，由公式（4.28）可计算得：
（3）计算一次侧电感量 L1 一次侧峰值电流为
一次侧的电感量
,由公式（4.29）可计算得：
（4）确定一次侧绕组的匝数
前面已经选择好了磁芯，可根据磁芯参数来计算变压器绕组的匝数，对于反激式变换器，通常在输入电压最小的情况下占空比最大。由于一次侧的电压波形可近似看作为矩形波，因此一次侧绕组匝数公式为
实取125匝。
（5）各输出绕组及反馈绕组匝数的计算
一次绕组匝数确定以后，则可以计算反馈绕组的匝数数的公式为
和各输出绕组的匝数，反馈绕组匝
实取15匝。式中:
—二次侧的反射电压，在反激式开关电源中,=85～165V，典型值为 135V。极管取 0.8V。
同理，可求得 两组两组
的输出匝数的输出匝数
==
。
是固定不变的，一般
—输出整流管的正向压降，快速恢复二
（6）变压器气隙宽度的计算
在反激式开关电源中，为了以防高频变压器发生磁饱和现象，一般都要在磁芯中加入空气间隙，简称气隙。在相同绕组匝数与
的条件下，加入气隙可以提高绕组的工作电流，并且
高频变压器磁饱和电流将会增大。同时，加入气隙可将磁化曲线线性化，即磁导率的变化会减少，使绕组电感量趋于定值。高频变压器加入气隙后的这些特性变化都有利于提高反激式开关电源的性能。气隙可由下公式计算：
由于气隙宽度是磁路间隙的总和，所以磁芯间隙应为气隙宽度的一半，即0.55mm。 （7）导线直径计算
对于截面是圆形的漆包线，其导线的面积(S)与直径（d）的关系为
而流过导线的电流有效值所以可以推出导线直径为
和截面积（S）与电流密度（J）的关系为
一次侧电流有效值为
故一次侧导线直径
为
反馈绕组峰值电流与一次侧峰值电流
的关系
反馈绕组侧电流有效值
=4.15A
所以反馈绕组导线直径为
式中：取电流密度J=6A/两组
同理，可求各个输出绕组的导线直径
输出绕组峰值电流为
两组
输出绕组有效电流为
导线直径为
两组
输出绕组的导线直径为
5仿真分析
图 5.1 saber 仿真模型
本文利用 saber 软件对电路进行建模、仿真、分析，检测本论文设计理论上是否达到预定要求。建模仿真的整体电路图如图 5.1 所示。
小 结
无论何种电子设备都离不开可靠的电源。开关电源因具有重量轻、体积小、发热量低、效率高、性能稳定等优点，并逐渐取代了传统的线性稳压电源，在电子设备中广泛应用。
参考文献
1. 包黎听.电压稳定动态分析及预防电压崩溃的措施[D].武汉:华中科技大学，2000
2. 张小林，冉建桥，李贤云．我国开关电源发展的思考．微电子学，2004，34(4)：402-406 3. 周志敏，周纪海，纪海华．开关电源实用技术—设计与应用(第 2 版)．人民邮电出版社，
2007
4. 郑国川，李洪英. 实用开关电源技术.福建：福建科学技术出版社,2004,1-200 5. 王水平，贾静，方海燕等.开关稳压电源的原理及设计.人民邮电出版社,2008,2(2):4-7 6. 张占松，蔡宣三. 开关电源的原理与设计.电子工业出版社，2004 7. 王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2000
8. Marty Brown 著.徐徳鸿等译.开关电源设计指南.机械工业出版社，2004 9. 邱关源. 现代电路理论.高等教育出版社, 2001
基于UC3842的多路输出电压型开关电源设计-------------------------------------孙炜桐
Switching Power of Based on UC3842
(1. Graduates of electronic information science and technology of electrical engineering of ortheast Dianli University,Jilin Province,China,132012；2. Electrical Engineering
College of Northeast Dianli University,Jilin City,JilinProvince,China,132012)
Abstract：Power has played a key role in the era of rapid development of contemporary economic and technological，The power supply is an important application field of power electronics technology. At present, with the rapid development of power supply technology, switching power supply go toward the high-frequency integrated direction. Compared to linear regulators, switching power supply design is more complex，some indicators may not be good as linear regulator, and the noise is big, but because of its small size, light weight, high efficiency , stable performance and other prominent advantages, the high-frequency switching power supply is favored and used widely. Key words：Switching power supply; UC3842；EMI；Flyback；High-frequency transformer
