采用UC3844的反激式开关电源反馈回路的改进与设计
2008-12-09
作者：陈 懿1，童朝南1，韩建军2
摘 要： 介绍了一种基于PWM控制芯片UC3844的反激式开关电源" title="开关电源">开关电源的反馈回路改进设计，详细讨论了新型反馈电路" title="反馈电路">反馈电路的工作过程及设计方案，采用光耦" title="光耦">光耦PC817和电压基准TL431组成反馈网络。该电源性能优良，具有结构简单，稳压效果好，负载调整率高等优点，具有很高的生产应用价值。
关键词： UC3844；反馈电路；反激式开关电源
开关电源被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源采用功率半导体器件作为开关的器件，通过周期性间接工作，控制开关器件的占空比来调整输出电压" title="输出电压">输出电压。单端反激式开关电源" title="反激式开关电源">反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为20W～100W，工作频率在20kHz～200kHz之间，可以同时输出不同的电压，而且具有较好的电压调整率[1]。
开关稳压电源的反馈回路决定了开关电源的精度和整体性能。传统的开关电源反馈回路从变压器输入端取电压，没有隔离，响应慢，抗干扰能力差[2]。
本文介绍一种基于电流型PWM芯片UC3844的开关电源的反馈回路改进，采用可调式精密并联稳压器加光电耦合器接法，具体使用TL431加PC817。这种方法由于使用了精密电压源做控制参考电压，控制精度非常高，性能稳定。
1 UC3844原理与特性
UC3844是安森美公司生产的高性能、固定频率、电流模式控制器，广泛应用于中小功率的DC-DC开关电源。该集成电路的特点是：具有振荡器、温度补偿的参考、高增益误差放大器、电流取样比较器和大电流图腾柱输出，是驱动功率MOSFET的理想器件。
UC3844相对于同系列的UC384x，最大的优点是占空比不超过50%，防止开机瞬间或负载短路时，变压器可能出现的饱和现象。UC3844采用DIP-8封装，其内部结构框图如图1所示，其管脚说明如表1所示[3]。
2 常用电路的典型结构
基于UC3844的开关电源的电流反馈电路典型结构如图2所示。
220V交流电压经整流滤波后，得到300V直流电压，主要功率经串联于高频变压器初级绕组N1，到大功率MOSFET开关管V1集电极，在UC3844的控制下，开关管V1周期性地导通和截止。300V直流电压的另一路经R2降压后，施加到UC3844的供电端（7脚），为UC3844控制器提供启动电源电压，此设计中UC3844采用恒定频率方式工作。电路启动后，8脚输出一个+5.0V的基准参考电压，作用于定时元件R5、C6上，在4脚产生稳定的振荡波形，振荡频率=1.8/R4×C6，6脚输出驱动脉冲激励开关三极管V1在导通和截止之间工作。
UC3844对于输入电压的变化立即反映为来自N2电感电流在取样电阻R3上的电压变化，不经过外部误差放大器就能在内部比较器中改变输出脉冲宽度。
这种传统的电流反馈回路结构简单具有容易布线、成本低的优点，但是电路的缺点在于反馈不能直接从输出电压取样，输出电压稳压精度不高，当电源的负载变化较大时很难实现精确稳压；同时没有隔离，抗干扰能力也差，在负载变化大和输出电压变化大的情况下响应慢，不适合精度要求较高或负载变化范围较宽的场合，为了解决这些问题，可以采用可调式精密并联稳压器TL431配合光耦PC817构成一种新型精准的反馈回路。
3 采用光耦和电压基准进行反馈控制的电路设计
为了满足负载变化较大时的供电要求，提高输出电压的稳定度，设计了一种从副边绕组输出端取样进行反馈控制的电路，电压采样及反馈电路由光耦PC817、TL431及与之相连的阻容网络构成。电路如图3所示。
对于负载调整率，除了能继续通过变压器的电感电流在R8上取样外，该电路还设计从输出端电压取样，该电路的设计输出电压Uout为15V。
输出电压经Rup、Rlow分压后得到采样电压，此采样电压与TL431提供的2.5V参考电压进行比较，当输出电压正常(15V)时，采样电压与TL431提供的2.5V参考电压相等，则TL431的K极电位不变，流过光耦PC817二极管的电流不变，流过光耦CE的电流不变，UC3844的脚2电位稳定，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15V电压因为某种原因偏高时，经分压电阻Rup、Rlow分压值就会大于2.5V，此时TL431的K极电位下降，流过光耦PC817二极管的电流增大，从而流过光耦CE的电流增大，UC3844的脚1电位下降，脚6输出驱动脉冲的占空比下降，输出电压降低，这样就完成了反馈稳压的过程。
Rup、Rlow、Rbias、Rs的取值要根据实际电路来设计。
3.1 根据TL431特性计算Rup、Rlow、Rbias
TL431是由美国德州仪器（TI）生产的2.5V～36V可调式精密并联稳压器。其工作电流范围宽达0.1mA～100mA，动态电阻典型值为0.22Ω，输出杂波低[4]。
TL431参考输入端的电流参考值为1.8μA，为了避免此端电流影响分压比和避免噪声的影响，通常取流过电阻Rlow的电流为参考输入端电流的100倍以上，根据公式（1）计算，取Rlow的值为10.2kΩ：
根据TL431的特性，Rup、Rlow、Uout、Uref有固定的关系：
上式中，Uref为2.5V，Uout为15V，根据（2）式计算得出Rup＝51kΩ。
TL431的工作电流Ika的范围在1mA～100mA，当Rs的电流接近于零(即PC817的正向电流If为零，Uf小于1.2V)时也必须保证Ika至少为1mA，此时Ubias必然小于1.2V。
根据公式（3）计算，取Rbias的值为1kΩ。
3.2 根据PC817特性计算Rs
为了取得合适的Rs值，首先根据PC817的Uce与Ic关系曲线确定PC817A二极管正向电流If[5]。UC3844的误差放大器输出电压摆幅0.8V
PC817的电流传输比CTR=0.8～1.6，按公式（4）计算得出通过PC817内部发光二级管的最小电流为：
发光二极管能承受的最大电流为50mA，TL431最大电流为100mA，故取流过Rs的IfMAX为50mA，根据公式(5)，选择Rs的取值为500Ω。
4 实验结果及结论
根据以上的理论分析以及计算结果，搭建一个原理如图4所示的反激式开关电源，测量数据如表2所示。
测量数据表示，在直流300V输入情况下，新型反馈控制电路的纹波（0.3%）比传统的电流反馈电路的纹波（0.92%）减少67％；同时，新型反馈控制电路的负载调整率和电压调整率也远大于传统的电流反馈电路。
通过测量结果可以得到如下结论：(1)此电路的性能指标明显好于传统反馈电路；(2)动态响应快，控制精度高；(3)电源电路结构简单，成本较低。
上述改善开关电源输出特性的电路已经成功地应用于开关电源的批量生产中，效果显著，性能稳定可靠。
参考文献
[1] 张占松，蔡宣三．开关电源的原理与设计．北京：电子工业出版社，1998.
[2] 周志敏，周纪海，纪爱华．现代开关电源控制电路设计及应用．北京：人民邮电出版社，2005.
[3] Anon．Current Mode PWM．Controller.Unitrode公司资料：UC1844/2844/3844.
[4] Anon．TL431，A，B Series．MOTOROLA公司资料：TL431，A，B Series.
[5] Anon．High Density Mounting Type Photo coupler．SHARP公司资料：PC817 Series.
[6] 王闯瑞．反激型开关电源反馈回路的改进．通信电源技术，2005，22(2)：42-44.