基于UC3845的单端反激电路设计与仿真

葛笑寒

（三门峡职业技术学院，河南 三门峡 472000）

一、引言

随着经济的发展，人类的活动遍布全球，加速了能源消耗。汽车领域也发生了巨大变革，新能源汽车飞速发展，充电系统正在形成以“充电桩为主、充电站为辅”的充电网络[1]。智能充电系统的智能控制器、反馈电路、驱动电路和等需要不同等级的低压直流电源。为保证系统稳定可靠工作，设计一种双电压输出，且电压稳定、高精度纹波系数小的电源具有重要意义。

二、电源系统整体设计

隔离型电路安全可靠性高得到广泛应用，常见电路有推挽、半桥、全桥和单端式。由于系统输出电压低，功率不大，另外单端电路所用器件最少，且反激式成本更低、效率更高，对于批量生产和产品可靠性都有好处。因此使用单端反激电路。

（一）单端反激电路原理

电路结构如图1所示，变压器相当于一组耦合的电感，起储存电能的作用。当开关管T1截止时，变压器一次绕组W1所存储的电能向二次绕组W2传送，这时变压器二次绕组极性下端为负、上端为正。二极管D正向导通，电压经电容滤波后向负载RL供电。当变压器一次绕组存储的能量释放到一定程度后，在栅极电压驱动下，开关管T1导通，电源电压Ui通过变压器一次绕组W1充电。当一次绕组侧电压升高到一定程度后，T1重新截止，又开始新一轮放电过程[2]。

图1 单端反激电路原理图

（二）单端反激电路系统构成

如图2所示，整体电路可分为主电路和控制电路两部分。主电路由输入滤波缓冲电路、DC/DC功率变换器、高频变压器和输出电路四部分组成[3]。控制电路是通过反馈信号调整控制信号，驱动主电路正常工作。该稳压电源将24V电源变换为5V和3.3V输出。技术指标为：系统电源电压为24V，两路输出5V/2A（1路），3.3V/1A（1路），开关频率为50kHz，效率大于80%，输出精度为最大5%，最大占空比45%。

图2 单端反激电路系统结构图

三、功率变换电路设计

（一）输入回路设计

根据系统要求，电源为24V直流电。输出为5V和3.3V电压。根据单端反激电路工作原理，设计开关管的极限值为120V，考虑安全裕量，选择IRF640。它属于Vishay的第三代POWERMOSFET。采用TO-220AB封装方式。最大电压为200V，功耗50W符合要求。

如图3所示，直流电压经R9分压后驱动发光二极管作为输入电源指示。开关管从饱和进入截止瞬间，漏极电流的急剧变化会在变压器原边感应出电动势，其漏感产生的浪涌尖脉冲与直流输入电压叠加，很容易造成MOSFET击穿。常用方法是在MOSFET漏源极之间加RC网络吸收尖峰电压。本设计采用R11，R9，C3和D1组成尖峰电压钳位电路。其作用是通过D1给C3充电，把电压钳位在安全值，通过R11，R9将吸收的浪涌尖峰电压以热量形式释放掉，从而保护功率MOSFET。

图3 输入隔离电路原理图

（二）输出回路设计

如图4和5所示，一路为高频变压器二次侧输出的5V电源经过稳压和滤波，经隔离芯片后进入外围电路板。另外添加一路3.3V电源为部分IC芯片供电，选用AMS117系列降压芯片，最大负载电流能达到1A。

输出整流管采用肖特基二极管，这样可以减少损耗和噪声干扰。对于反激式拓扑结构：Vr＞（Ns/Np）Vinmin+Vout，DC±5V：Vr5V＞(Ns5V/Np)Vinmax+Vo5V＝15V，采用1N5819型二极管，它反向耐压40V，额定正向电流1A，符合要求。

第一级电容的数值由下式确定：

其中：Iout是输出侧额定电流，单位为A；

Dmin最小占空比（估计值为0.3）；

V(pk-pk)是最大的输出电压纹波峰峰值，单位为mV。

考虑安全裕量，这里取1000μF。

对不满足纹波要求的电压经二次滤波，一般情况下滤波电感选择10μH、电容选择0.1μF，在考虑对负载电流的抑制和纹波电压满足要求的前提下，输出滤波电容器选择100μF。

图4 输出5V回路电路原理图

图5 输出3.3V回路电路原理图

（三）高频变压器设计

在开关电源中，常用铁氧体材料作为高频变压器磁芯。本设计使用国产铁氧体磁芯。选用EI22材料为PC40磁芯，磁芯有效截面积Ae＝42mm2，Acw＝188mm2，Bms＝510mT，对于单端反激式电路工作时，△Bm一般取饱和磁通密度的一半，△Bm＝255mT，磁芯重量W＝9.8g。本系统中的功率不大，50W即满足要求，估算输入功率：Pin＝Pout/η＝62.5W；估算变压器一次绕组输入直流电压峰值：Vinmin(DC)＝24V，考虑3倍安全裕量，Vinmax(DC)＝72V；估算输入电流峰值：Ipk＝5.5Pout/Vinmin＝11.5A。

1.计算初级临界电感

2.计算一次绕组最大匝数

取 N1＝20 匝

3.计算二次主绕组匝数Ns5V、Ns3.3v

VD采用肖特基二极管，典型值为0.6V

变压器二次绕组Ns5V取6匝，Ns5V取4匝。

四、控制电路设计

系统采用UC3845控制芯片，如图6所示，它是Unitrode厂商生产的一种单端反激式脉宽调制型触发器[4]。采用DIP-8封装。它具有温度补偿参考、高增益误差放大器、电流取样比较器和大电流式输出等功能，是驱动MOSFET的理想器件。该芯片可以输出1A的驱动电流，直接驱动功率开关管工作，而且输出脉冲占空比可以灵活调节[5]。UC3845的性能特点表明它适用于中小容量的开关电源。本设计需要电流和电压双重反馈，所以要接调节器，最后合成信号接入误差放大器的输入侧。

图6 UC3845内部结构框图

（一）电流驱动电路设计

如图7为UC3845的驱动电路，其中R102、C43确定了开关频率。24V直流电源引出独立电源经C36和E8给UC3845供电。该芯片正常启动电压为16V，极限驱动电压为20V。电源电压为24V，经R10和R11降压后产生18V电压作为芯片正常启动电压。R104，R101是为了防止脉冲电压信号过高而损坏开关管，考虑管子正常工作和过压能力，选择10K电阻。从开关管源极取样电阻得到取样电压后，经过电容R98和电容C44连接至UC3845的3脚构成前沿消音电路，也即电流反馈环。当该电压超过lV时，比较器输出高电平，送到RS锁存器的复位端，PWM输出为低电平，使PWM的占空比减小，从而限制电感峰值电流，保证电路正常工作。若无此电路，则在开关管导通和关断的瞬间，会在前端产生一个尖峰脉冲，此脉冲大于1V，该芯片封锁无法工作。结合实际情况，选择R98为1K,电容C44为1000PF。

（一）电压反馈电路设计

图8 UC3845反馈电路原理图

如图8为UC3845的反馈电路。本系统对5V电压的精度要求不是很高，因此没有采用光电耦合的阻容电路。误差比较器(1脚)用于外部回路的补偿，因为内部两个二极管压降导致输出电压降低，故而在1脚和2脚间连接一个RC网络进行环路补偿。取 R103＝10k，C＝100PF。反馈输入端(2 脚)可用于输出回路引入电压反馈环节，这里5V电压经分压电阻后接入2脚，以监测输出回路过电压。当输出回路电压升高时，外部监测电压大于2.5V，误差比较器输出电压小于2.5V，结合电流取样比较输入电压，PWM输出为低电平，使PWM的占空比减小，输出回路电压减小。

五、仿真与结果分析

使用MATLAB/Simulink仿真软件建立了仿真模型。为了分析方便把电路简化，电源使用24V直流电源，滤波电感100微法,电阻10欧姆等，采用50KHZ仿真速度极慢，采用5000HZ的脉冲信号加快仿真速度。仿真结果如图9所示，两路输出均达到了要求，纹波较小。当占空比32%时，系统测试电压为4.94V和3.27W,近似达到了设计要求。

图9 输出仿真波形

五、结论

利用UC3845设计了一种单端反激式双路隔离输出的电源系统，具有结构简单、体积小、成本低等优点。从系统构成，输出回路、输入回路、控制回路和高频变压器等方面进行设计分析，最后进行了仿真，验证了设计的可行性，为单端反激电路实践应用提供参考。