工程师不可不知的开关电源关键设计（三）

环控制，即在电压闭环控制系统中加入峰值电流反馈控制。电路电流环控制采用UC3842 内部电流环，电压外环采用T L431 和光耦PC817 构成的外部误差放大器，误差电压直接送到UC3842 的1 脚。误差电压与电流比较器的同相输入端3 脚经采样电阻采集到初级侧电流进行比较，从而调节输出端脉冲宽度。2 脚接地。R4， C5 是UC3842 的定时元件， 决定UC3842 的工作频率，此设计中R4= 5.6 kΩ ，C5= 3300 pF.当UC3842 的1 脚电压低于1 V 时，输出端将关闭；当3 脚上的电压高于1 V 时，电流限幅电路将开始工作，UC3842 的输出脉冲中断。开关管上波形出现“打嗝”现象，从而可以实现过压、欠压、限流等保护功能。

　　图2 系统原理图

　　3 反馈回路参数的计算

反馈电路采用精密稳压源TL431 和线性光耦PC817 构成外部误差电压放大器。并将输出电压和初级侧隔离。如图2 所示， R11、R12 是精密稳压源的外接控制电阻， 决定输出电压的高低， 和T L431 一并组成外部误差放大器。当输出电压Vo 升高时， 取样电压VR 13 也随之升高， 设定电压大于基准电压（TL431 的基准电压为2.5 V） ， 使TL431 内的误差放大器的输出电压升高， 致使片内驱动三极管的输出电压降低， 使输出电压Vo 下降， 最后V o 趋于稳定； 反之， 输出电压下降引起设定电压下降， 当输出电压低于设定电压时， 误差放大器的输出电压下降， 片内驱动三极管的输出电压升高， 最终使UC3842 的脚1 的补偿输入电流随之变化， 促使片内对PWM 比较器进行调节， 改变占空比， 达到稳压的目的。

从TL431 技术资料可知， 参考输入端的电流为2 μA， 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R13 的电流为T L431 参考输入端电流的100 倍以上［ 6］ ， 所以：

这里选择R13= 10 k Ω，根据TL431 的特性可以计算R12：

其中， TL431 参考输入端电压Uref= 2.5 V。

TL431 的工作电流Ika 范围为1~ 150 mA， 当R9 的电流接近于零时， 必须保证I ka 至少为1 mA， 所以：

其中， 发光二极管的正向压降Uf= 1.2 V。

UC3842 的误差放大器输出电压摆幅0.8 V《 Vo《 6 V， 三极管集射电流I c受发光二极管正向电流If 控制， 通过PC817 的Vce与I c关系曲线（ 图3） 可以确定PC817 二极管正向电流I f 。由图3可知， 当PC817 二极管正向电流I f 在7 mA 左右时， 三极管的集射电流I c在7 mA 左右变化， 而且集射电压Vce 在很宽的范围内线性变化， 符合UC3842 的控制要求。

　　图3 PC817 集射极电压Vce与二极管正向电流If 的关系图

PC817 的电流传输比CTR= 0. 8~ 1. 6， 当I c= 7mA 时， 考虑最坏的情况， 取CT R= 0.8， 此时要求流过发光二极管最大电流：

所以：

其中， Uka为TL431 正常工作时的最低工作电压， Uka = 2.5 V.发光二极管能承受的最大电流为50 mA，TL431 最大电流为150 mA， 故取流过R9 的最大电流为50 mA。

R9 的取值要同时满足式（ 5） 和式（ 6） ， 即162《 R9《 949， 可以选用750Ω 。

　　4 基于MOS 管最大耐压值的反激变压器设计

由变换器预定技术指标可知变压器初级侧电压Vdcmin= 240 V， Vdcmax= 380 V， 预设效率η= 85%， 工作频率f = 65 kHz， 电源输出功率P out= 25 W。

变压器的输入功率：

根据面积乘积法来确定磁芯型号， 为了留有一定裕量， 选用锰锌铁氧体磁芯EE25/ 20， 电感量系数A L=1 750 nH/ N2 ， 初始磁导率μi= 2 300， 有效截面积A e= 42. 2 mm2 。

因为所选的MOS 管的最大耐压值V MOSmax= 700 V.在150 V 裕量条件下所允许的最大反射电压：

最大占空比：

初级电流：

初级最大电感量：

其中， f 是开关频率， Hz.

初次级匝数比：

初级匝数：

其中， 磁感应强度Bw= 0？？ 23 T ; 由于此变换器设计在断续工作模式k= 1（ 连续模式k= 0.5）。

磁芯气隙：

次级匝数：

辅助绕组匝数：

其中， Va 是辅助绕组电压， V 。

为了减小变压器漏感， 采用夹心式绕法， 初级绕组分N p1 （ 78 T ） 和N p2 （ 78 T） 两部分绕制， 如图4 所示， Np1 绕在骨架最里层， 次级绕组N s绕在N p1和N p2之间， 辅助绕组绕Na 在最外层。

　　图4 变压器绕制示意图

　5 样机测试结果及分析

直流输入电压300 V 时所测结果如图5 所示。

　　图5 MOSFET栅源极电压波形图

从图5 可以看出： 开关管驱动脉冲前沿电压比较陡峭， 电压上升很快， 而且上升沿有一定过冲， 可以加快开关管的开通， 驱动电平适中， 满足驱动要求。开关管驱动脉冲占空比随着负载的加大而增大， 以满足输出电压的需要。带载2 A 时， 占空比达到31.33% 。

　　图6 MOSFET 漏源极间电压波形图