開關(guān)電源常用的拓撲結(jié)構(gòu)分析

1.開關(guān)電源基本工作原理

1 開關(guān)電源的基本構(gòu)成

開關(guān)電源電路的基本構(gòu)成，它包括整流濾波電路，DC-DC 控制器，開關(guān)占空比控制器及取樣比較電路等模塊。

2 開關(guān)電源常用的拓撲結(jié)構(gòu)分析

作為電源設(shè)計的核心組件,可靠性升級的基礎(chǔ),輕薄小型化的關(guān)鍵,電磁兼容性的保障的 DC-DC 直流變換電路,引導(dǎo)著開關(guān)電源設(shè)計的方向,從本質(zhì)上來說絕大部分開關(guān)控制器都具有常規(guī)的幾種拓撲結(jié)構(gòu)。其有兩種基本的類型：非隔離型和隔離型。

2.1 降壓型

降壓型又稱為 BUCK 控制器，其典型電路結(jié)構(gòu)?；竟ぷ髟?當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通(Ton)時,電感 L 將能量以磁場的形式儲存起來。隨著電源電壓 Vin 對電感 L 的充電，L 電流 IL 對輸出電容 CO 充電，并提供負載電流 Io， VD 被反向偏置而截止。當(dāng)開關(guān)管截止(Toff)時，L 中消失的磁場使其極性顛倒 VD 加正向偏壓而導(dǎo)通，L 和 CO 在 Toff 提供負載電流 Io。輸出電壓：

2.2 升壓型

升壓型又稱為 BOOST 控制器，其典型電路結(jié)構(gòu)?；竟ぷ髟恚寒?dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，能量儲存在 L 中，由于 VD 截止，所以 Ton 期間，負載的電壓和電流由 CO 供給在開關(guān)管。截止時，儲存在 L 中的能量通過正向偏置的 VD 傳送到負載和 CO， L 放電電壓的極性與VIN 相同，且與 Vin 相串聯(lián)因而提供了一種升壓作用。

2.3 升降壓型

升降壓型又稱為 BUCK-BOOST 控制器，其典型電路結(jié)構(gòu)。

基本工作原理：當(dāng) Q1 導(dǎo)通時，接在 Vin 兩端的 L 被充電，由于 VD 截止，所以 TON 期間，負載的電壓和電流由 CO 供給。當(dāng)開關(guān)管截止時，儲存在 L 中的能量通過 VD 傳送到負載和 CO ，因為 L 上消失的磁場顛倒了電感器電壓的極性。

輸出電壓：

2.4 反激式

反激式又稱為 Fly-back 型，它能產(chǎn)生在輸入電壓范圍內(nèi)的輸出電壓，不同于降壓升壓控制器。這是反激式控制器所獨有的特點， 為其典型電路結(jié)構(gòu)。

基本工作原理：當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，電流流過變壓器 T1 的初次線圈 N1 ，變壓器將能量以磁場的形式儲存起來。由于初次級圈不同相位，所以當(dāng)電流流過初次線圈時，次級線圈 N2 中沒有電流流過。當(dāng)開關(guān)管截止時，消失的磁場使初次次線圈中電壓極性反轉(zhuǎn)，整流二極管 VD 導(dǎo)通。電流通過 VD 流向負載，變壓器的能量釋放，提供負載電壓電流。

輸出電壓：

(1)電流連續(xù)狀態(tài)下

(2)電流斷續(xù)狀態(tài)下

2.5 正激式

正激式不同于反激式，在原邊導(dǎo)通的同時，副邊向負載釋放能量。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，變壓器處于“空載”狀態(tài)，其中儲存的磁能將被積累到下一個周期。這是它的特點

基本工作原理：當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，電流流過變壓器 T1 的初次線圈 N1 。由于初次級圈同相位，所以當(dāng)電流流過初次線圈時，整流二極管 VD 導(dǎo)通，次級線圈 N2 中也有電流流過。當(dāng)開關(guān)管截止時，初次級線圈均沒有電流流過。

2.6 推挽式

推挽式又稱為 Push-Pull 控制器，圖 1.12 為其典型電路結(jié)構(gòu)。

基本工作原理:Q1 和 Q2 交替導(dǎo)通和截止,且導(dǎo)通和截止時間必須嚴格錯開,當(dāng) Q1 導(dǎo)通 Q2 截止時,由于次級繞組兩線圈匝數(shù)相等,繞向相反,能量通過變壓器 T1 以磁通方式耦合過來的正電壓使 VD1 正向?qū)?負電壓使 VD1 導(dǎo)通.次級電壓整流、濾波后加到輸出端。當(dāng) Q2 導(dǎo)通 Q1 截止時，這個過程重復(fù)進行，T1 的次級繞組開關(guān)工作頻率為加在 Q1 Q2 上 PWM 頻率的兩倍。

3 拓撲結(jié)構(gòu)的確定

開始設(shè)計開關(guān)電源時，主要考慮的是采用何種基本拓撲。開關(guān)電源設(shè)計中，拓撲的類型與電源各個組成部分的布置有關(guān)。這種布置與電源可以在何種環(huán)境下安全工作以及可以給負載提供的最大功率密切相關(guān)。這也是設(shè)計中性能價格折中的關(guān)鍵點。每種拓撲都有自己的優(yōu)點，有的拓撲可能成本比較低，但輸出的功率受到限制;而有的可以輸出足夠的功率，但成本比較高等。在一種應(yīng)用場合下，有好幾種拓撲可以工作，但只有一種是在要求的成本范圍內(nèi)性能最好的。

根據(jù)系統(tǒng)造價、性能指標(biāo)和輸入、輸出負載特性，結(jié)合本課題的實際選用的拓撲結(jié)構(gòu)是正激型變換器電路。

2. 基于 UC3842 的開關(guān)電源的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 開關(guān)電源電路的設(shè)計

2.1.1 開關(guān)電源電路的總體簡介

輸入整流濾波器將交流輸入電壓進行整流濾波，為變壓器器提供直流電壓。變壓器把直流電壓變換成高頻交流電壓，并且起到將輸出部分與輸入電網(wǎng)隔離的作用。輸出整流濾波器將變換器輸出的高頻交流電壓整流濾波得到需要的直流電壓，同時還防止高頻噪聲對負載的干擾?？刂齐娐窓z測輸出直流電壓，并將其與基準(zhǔn)電壓比較，進行放大。調(diào)制振蕩器的脈沖寬度，從而控制變換器以保持輸出電壓的穩(wěn)定。保護電路在開關(guān)電源發(fā)生過電壓或者過電流時，使開關(guān)電源停止工作以保護負載和電源本身。

2.1.2 基于 UC3842 的基本結(jié)構(gòu)

2.1.3 各部分功能簡介

輸入整流與濾波電路：

其一般都采用橋式整流，將輸入的交流整成高壓直流，經(jīng)過濾波輸入變壓器的一次側(cè)。

變換器：

變換器是用來變換電能的，是開關(guān)電源設(shè)計的核心。

輸出整流濾波濾波：

變壓器輸出側(cè)的電壓還不夠理想，需要整流濾波來達到設(shè)計的指標(biāo)。

反饋回路：

將輸出部分的電壓或電流信息反饋回到前級，進入控制部分，由控制部分來控制交換組件的運作狀態(tài)。

隔離組件：

隔離組件的設(shè)立主要是出于安全的考慮，一般常用的隔離組件是光耦，將后級信息反饋到前級。

控制部分：

有兩種控制方式 RCC 和 PWM，RCC 是由反饋回來的信號改變電容充放電時間來達到控制開關(guān)組件開關(guān)時間的目的，這種模式實現(xiàn)的電路電路簡單，不固定頻率，也不容易控制。本文所研究的正激式采用的是 PWM 控制模式，其是通過反饋信號和相應(yīng)的 IC 芯片上的標(biāo)準(zhǔn)波形進行比較，進而對應(yīng)的改變開關(guān)組件的開關(guān)時間，這種方式的控制穩(wěn)定度高，可固定頻率，目前流行的開關(guān)電源都是采用這種方式。

2.2 UC3842 芯片簡介

2.2.1 UC3842 的特點

UC3842 是美國 Unitorde 公司生產(chǎn)的一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制芯片。該調(diào)制器單端輸出，能直接驅(qū)動雙極型的功率管或場效應(yīng)管。其主要優(yōu)點是管腳數(shù)量少，外圍電路簡單，電壓調(diào)整率可達 0.01%，工作頻率高達 500kHz，啟動電流小于 1mA，正常工作電流為 5mA，并可利用高頻變壓器實現(xiàn)與電網(wǎng)的隔離。該芯片集成了振蕩器、具有溫度補償?shù)母咴鲆嬲`差放大器、電流檢測比較器、圖騰柱輸出電路、輸入和基準(zhǔn)欠電壓鎖定電路以及 PWM 鎖存器電路。

開關(guān)斷開，流經(jīng)初級的電流減小。與之前階段相同，初級電壓會在次級生成相同極性的電壓，電壓值也成匝數(shù)比。因為是正向電壓，所以，二極管導(dǎo)通，次級線圈將輸出電流給電容和負載。電容在開關(guān)打開的階段已經(jīng)失去了所有的電荷，但此時又會重新充電。

在整個開關(guān)過程中，輸入電源和輸出電源之間沒有任何電路連接，因此我們可以看出是變壓器隔離了輸入與輸出。

根據(jù)開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷的時間可以分為兩種模式。連續(xù)模式和非連續(xù)模式。

在連續(xù)模式下，初級充電之前，電流先歸零，再如此往復(fù)。而在非連續(xù)模式下，下一周期在初級電感的電流歸零時開始。

反激式轉(zhuǎn)換器的效率

現(xiàn)在我們來看一下效率，也就是輸出與輸出功率的比值。

(Pout/Pin)x 100%

因為能量不能憑空生成也無法抹去，只能轉(zhuǎn)換過來，大多數(shù)電能都以熱能的形式消耗掉的。所以實際運用中并不存在理想情況。因此在選擇穩(wěn)壓器的時候，效率也是一個關(guān)鍵因素。

而能量損耗的關(guān)鍵因素之一就是二極管。正向壓降乘以電流都轉(zhuǎn)換為了熱能，因此降低了穩(wěn)壓電路的效率。與此同時，硅二極管的反向恢復(fù)損耗也會降低整體效率。

而解決這一問題最好的方法之一就是避免標(biāo)準(zhǔn)的恢復(fù)二極管，而使用肖特基二極管，因為后者有著很低的正向壓降，也有著更好的反向恢復(fù)損耗。從另一角度來說，如果將開關(guān)轉(zhuǎn)換成MOSFET的話，能在更小封裝的情況下提升效率。

反激式變換器電路圖以及工作原理

我們將使用LM5160來生成12V的隔離電壓。這是該電路的詳細參數(shù)說明。

輸入電壓范圍：18V-32V

隔離輸出：12V

隔離負載電流范圍：0mA-400mA

標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)頻率：300kHz

最大效率：88%

開關(guān)頻率被限制在一個緊密的頻帶內(nèi)，以簡化 EMI 濾波。此外，有源鉗位操作的自適應(yīng)數(shù)字控制可實現(xiàn)初級 FET 的接近 ZVS 導(dǎo)通，并在關(guān)斷期間鉗位漏極電壓，從而進一步提高效率并降低 EMI。

與傳統(tǒng)的 ACF 設(shè)計不同，在大批量生產(chǎn)中，電路的正常運行不需要鉗位電容器和漏電感值的嚴格公差。此外，一個小的 3.3 nF 鉗位電容器足以實現(xiàn) ACF 操作的好處。SZ1110 和 SZ1130 非常適合高效率和高功率密度的 AC/DC 電源適配器。這些設(shè)備專為高達 33 W (SZ1110) 和高達 65 W (SZ1130) 的輸出功率而設(shè)計，包括 USB-PD 和快速充電應(yīng)用。

當(dāng)今的市場趨勢，尤其是便攜式消費電子產(chǎn)品，需要更大的電池和更快的充電操作，這意味著需要從電源適配器獲得更多功率。電路的整體尺寸是另一個相關(guān)的關(guān)鍵因素，因為原始設(shè)備制造商希望在相同尺寸或更小的電源適配器中獲得更多功率(更高的功率密度和更高的效率)?，F(xiàn)有的解決方案正在達到極限，新的創(chuàng)新方法正在取而代之。