实用小功率开关稳压电源的设计

1电路结构选择
开关稳压电源与传统的线性稳压电源相比具有体积小、重量轻、效率高等优点，已成为稳压电源的主流产品。为使电源结构简单、紧凑，工作可靠、减少成本，小功率开关稳压电源常采用单端反激型或单端正激型电路。与单端反激型相比，单端正激型开关电流小、输出纹波小、更容易适应高频化。用电流型PWM控制芯片UC3843构成的单端正激型开关稳压电源的主电路如图1所示。

图1主电路的结构

实用的单端正激型开关稳压电源必须加磁通复位电路,以泄放励磁电路的能量。如图1所示，开关管Q导通时D1导通，副边线圈N2向负载供电，D4截止，自馈电线圈Nf电流为零；Q关断时D1截止，D4导通，Nf经电容C1滤波后向UC3843供电，同时原边线圈N1上产生的感应电动势使D3导通，并加在RC上。由于变压器中的磁场能量可通过Nf泄放，而不像一般的RCD磁通复位电路消耗在电阻上，这可减少发热，提高效率。

2电源技术规格

输入电压：AC110/220V；

输入电压变动范围：90V～240V；

输入频率：50/60Hz；

输出电压：12V；

输出电流：2.5A；

工作频率的选择：UC3843的典型工作频率为20kHz～500kHz。开关频率的选择决定了变换器的许多特性。开关频率越高,变压器、电感器体积越小,电路的动态响应也越好。但随着频率的提高,诸如开关损耗,门极驱动损耗,输出整流管的损耗会越来越突出,而且频率越高,对磁性材料的选择和参数设计要求会越苛刻,另外,高频下线路的寄生参数对线路的影响程度难以预料,整个电路的稳定性,运行特性以及系统的调试会比较困难。本电路中,选Rt=1.8kΩ,Ct=10nF。由UC3843A定时电阻,电容与振荡器频率的关系曲线图,可得开关频率为f=85kHz，周期T=11.8μs；

占空比：设计无工频变压器的单端正激型开关电源时，一般占空比D最大不超过0.5,这里选择Dmax=0.5。则Tonmax=T·Dmax=5.9μs。

3电源设计

31变压器和输出电感的设计

根据电源规格、输出功率、开关频率,选择PQ26/25磁芯，磁芯截面积Se=1.13cm2，磁路有效长度le=6.4cm,磁芯材料为MXO2000,饱和磁通密度Bs=0.4T。取变压器最大工作磁感应强度Bmax=Bs/3=0.133T，则电感系数AL值为：

AL=(0.4πμrSe/le)10－6=4.44(μH/N2)

变压器原边线圈匝数为：

N1=UImin×Tonmax/Bmax×Se式中UImin为最小直流输入电压。考虑到交流输入电压为110V±20％,则交流输入电压最小值约为90V，即UImin=90×=127V。代入得N1=49.9，取50匝。原边线圈电感为：L1=N12AL=11.1mH。副边线圈匝数为：N2=

式中UDF、UL分别为整流二极管D1和输出电感L上的压降,取UDF＋UL=0.7V,代入得N2=10匝。

副边线圈电感为：L2=N22AL=444μH。

开关管断开时N1两端会产生感应电动势,为了保证开关管正常工作,将感应电势限制到eL≈300V。自馈电线圈要向UC3843提供VCC=12V工作电压，按电容C1上电压UC1=16V考虑,可保证足够供电给UC3843，由Nf=(Uc1/eL)N1可得Nf=2.67取3匝。变压器副边电流为矩形波，其有效值I2=Io·=1.77A，导线电流密度取4A/mm2，所需导线截面为1.77/4=0.44mm2，选用截面积为0.1521mm2的导线(Φ0.49)三根并绕。同样可选择原边导线，原边电流有效值I1=Io·=0.354A,所需导线截面为0.354/4=0.0885mm2,选用截面积为0.09621mm2的导线(Φ041)。

取输出电感的电流变化ΔIL=0.2Io=0.5A,则输出电感为：L=Tonmax

式中U2min为副边线圈最小电压,U2min=(Uo＋UDF＋UL)/Dmax=25.4V，取UDF=0.5V，Uomax=13V,代入可得L=140μH。根据输出电感上电流IL=Io，所需导线截面应为：2.5/4=0.625mm2，选择截面积为0.6362mm2的导线(Φ096)。

32开关管、整流二极管、续流二极管的选择由于开关管断开时原边线圈N1两端的感应电动势限制到eL≈300V，输入交流电压经全波整流电容滤波后，直流输入电压的最大值UImax=240×=339V，所以整流二极管所承受的最高反向电压UD1P=eL（N2/N1）=60V，续流二极管所承受的最高反向电压UD2P=UImax(N2/N1)=68V。流过整流二极管和续流二极管的最大电流ID1P=ID2P=Io＋0.5ΔIL=2.75A。根据以上计算选择肖特基半桥MBR20100CT,平均整流电流20A,反向峰值电压100V。

开关管承受的最大电压Udsp=339＋300=639V。变压器励磁电流的最大值ITrP=(UImax/L1)Tonmax=180mA,开关管最大电流IdsP=(ID1PN2/N1)＋ITrP=0.73A。根据以上计算,选用功率MOSFET2SK792，漏源击穿电压BVDS=900V，最大漏极电流IDmax=3A。

33反馈电路的设计

电流反馈电路采用电流互感器检测开关管上的电流,原理如图2所示。电流互感器的输出分为电流瞬时值反馈和电流平均值反馈两路,R2上电压反映电流瞬时值,开关管上的电流增大会使UR2增大,当UR2大于1V时，UC3843芯片输出脉冲关断。调节R1、R2分压比可改变开关管的限流值，实现电流瞬时值的逐周期比较，这属于限流式保护。输出脉冲关断，实现对电流平均值的保护，这属于截流式保护。两种过流保护互为补充，使电源更为安全可靠。采用电流互感器采样使控制电路与主电路隔离，同时与电阻采样相比降低了功耗，有利于提高整个电源的效率。

电压反馈电路如图3所示，输出电压通过集成稳压器TL431和光耦反馈到UC3843（1）脚，调节R1、R2分压比可设定和调节输出电压，达到较高的稳压精度。如果输出电压Uo升高，集成稳压器TL431阴极到阳极的电流增大，使光耦输出三极管电流增大即UC3843（1）脚对地的分流变大，UC3843输出脉宽相应变窄，输出电压Uo减小。同样地，如果输出电压Uo减小，可通过反馈调节使之升高。

图2电流反馈电路

图3电压反馈电路