基于UC3844的多路输出电源设计详解

　　本文给出了一种用于电机控制的新型多输出反激电源的设计。该设计基于UC3844高性能电流型PWM控制器。电压反馈和电流反馈双闭环串级结构，使输出电压能够很好地稳定，电压调整率和负载调整率都较高。光耦H11A1和三端可调稳压管TL431配合控制大大提高了瞬态响应速度。RCD（剩余电流保护装置）吸收回路和开关管保护电路能很好地消除漏感，使元件稳定可靠地工作。

　　一、电流型PWM控制原理及优点

　　1、电流型PWM控制原理

　　电流型PWM控制系统框图如图1所示。

　　

　　该系统采用电流电压双闭环串级控制结构，内环是电流环，外环是电压环。控制原理是：给定的电压Ug与从输出反馈回的电压Ur进行比较，得到的电压误差经电压调节器输出作为另一个给定的电压信号Ue。该信号与经电阻采样反映电流变化的信号Us进行比较，输出一个占空比可调节的PWM脉冲信号，从而使得输出的电压信号V0保持恒定。

　　2、电流型PWM控制的优点

　　a）电压调整率好

　　输入电压的变化立即引起电感电流的变化，电感电流的变化立即反映到电流控制回路而被抑制，不像电压控制要经过输出电压反馈到误差放大器，然后再调节的复杂过程，所以响应快。如果输入电压的变化是持续的，电压反馈环也起作用，因而可以达到较高的线形调整率。

　　b）负载调整率好

　　由于电压误差放大器可专门用于控制占空比，以适应负载变化造成的输出电压的变化，因而可大大改善负载调整率。

　　c）系统稳定性好

　　从控制理论的角度讲，电压控制单闭环系统是一个无条件的二阶稳定系统。而电流控制双闭环系统是一个无条件的一阶稳定系统，系统稳定性好。

　　二、电流型PWM控制芯片UC3844简介

　　UC3844是电流型单端输出式PWM控制芯片，它主要由高频振荡、误差比较、电流取样比较、脉宽调制锁存、欠压锁定、过压保护等功能电路组成。图2为UC3844内部结构框图和引脚图。引脚1为误差放大器补偿端，引脚2接电压反馈信号，引脚3接电流检测信号，引脚4外接时间电阻RT及CT用来设置振荡器的频率，引脚5为接地端，引脚6为推挽输出端，可提供大电流图腾柱输出，引脚7接芯片工作电压，引脚8提供5V的基准电压。

　　

　　UC3844的工作原理是：反馈电压和2.5V基准电压之差，经误差放大器E/A放大后作为门限电压，与反馈电流经采样后的电压一起送到电流感应比较器。当电流取样电压超过门限电压后，比较器输出高电平触发RS触发器，然后经或非门输出低电平，关断功率管，并保持这种状态直至OSC（振荡器）输出脉冲到触发器和或非门为止。这段时间的长短由OSC输出脉冲宽度决定。PWM信号的上升沿由OSC决定，下降沿由功率开关管电流和输出电压共同决定。反转触发器限制PWM的占空比调节范围在0~50%之内。

　　三、主电路设计

　　1、主电路拓扑

　　

　　图3所示多路输出开关电源是专为电机控制设计的。主电路采用单端反激式变换电路。220V交流输入电压经桥式整流、电容滤波变为直流后，供给单端反激式变换电路。反激式变换电路结构具有电气隔离、易于多路输出、外接元器件少、可靠性高等优点。其中12V/0.2A、24V/1A、？15V/0.5A的输出绕组分别为UC3844、继电器和其他模拟电路供电。5V/2A输出是重要的一路输出信号，它除了用于稳压外，还为电机控制用的数字板电源提供5V电源。

　　2、高频变压器设计

　　单端反激式变压器可工作在CCM（电流连续模式）和DCM（电流断续模式）。在不同的工作模式下，变压器的设计是不一样的。这里将变压器设计在工作于CCM模式下。

　　根据开关管导通时的伏秒数应等于关断时的伏秒数，可推导出原边匝数与副边匝数比为：

　　

　　式中：A为额定工作状态时的工作比;UP1为变压器输入电压，220V交流输入电压经整流后得到约300V高压，所以UP1取300V;UP2为5V绕组输出电压。单端反激式开关电源变压器的临界电感为：

　　

　　高频变压器磁心气隙为：

　　

　　3、漏感消除电路

　　1）RCD吸收回路

　　在反激变换器中，由于高频变压器兼作储能电感用，因而气隙大，漏感亦较大。一方面，会产生开关管关断时很高的电压尖峰，另一方面，整流二极管反向恢复会引起开关管开通时的电流尖峰。为了解决这个问题，本设计采用R18、C36、D15构成的无源钳位电路消除电路中存在的漏感。该电路简单方便，容易实现，在小功率的情况下能达到较好的抑制效果。

　　开关管Q1关断时，变压器漏感能量转移到电容C36上，然后电阻R18将这部分能量消耗掉。Q1导通过程中，C36没有放电到0，那么Q1的漏源电压上升的一段时间内，电容不起作用，有利于反激过冲。

　　2）开关管保护电路

　　R16、D14、C35构成的开关管保护电路可以消除开关管漏源间产生的反峰电压。Q1关断时，Q1上电流下降，变压器漏感会阻止电流减小，一部分电流继续流过Q1，另一部分通过D14对C35充电。C35的存在减缓了漏源间电压的上升。C35越大，漏源间电压上升得越慢，这样可以降低开关管的损耗。

　　在选用续流二极管D14时选择了肖特基二极管。这种二极管在峰值电流为3A时，导通电压通常很小。

　 四、控制电路设计

　　1、UC3844的启动和振荡频率的设定

　　R3为UC3844AN的启动电阻，UC3844AN的启动电压为16V，当引脚7的输入电压高于34V时，UC3844AN内部的稳压管将电压稳定在34V。芯片启动后，变压器有耦合输出，12V供电绕组有12V输出，由D5、D6、D7、C26、C23、C24构成的电路为UC3844AN提供正常工作时的电压。

　　UC3844芯片引脚4和引脚8之间接时间电阻R12，引脚4和引脚5接时间电容C33，引脚8的5V基准电压经R12给C33充电，振荡工作频率f=1.72/（C33R12）（kHz），C33单位为LF，R12单位为k8。

　　2、电压反馈电路

　　在PWM双环控制系统中，电压环的作用是稳定输出电压，在输入电压或负载扰动下保持输出稳定。图3左下角电路为5V电压反馈电路。

　　变压器5V输出通过三端可调稳压管TL431和光耦H11A1以电压反馈的形式反馈到UC3844的引脚2。当5V输出绕组的电压大于5V时，加在三端可调稳压管上的参考电压升高，流过H11A1中二极管的电流增大，三极管上的电流也相应地增大，即UC3844的引脚2电压升高，误差放大器输出电压降低，占空比减小，流过开关管的峰值电流减小，使输出电压降低。5V输出电压小于5V时的情况与上述过程相反。

　　3、电流反馈电路

　　采样电阻R17上的电压反映了变压器T1原边绕组上的电流大小。当开关管Q1导通时，R17上的电流逐渐增大，压降增加，通过R13将该电压反馈到芯片引脚3，该电压与电流比较器的另一端进行比较，当此压降达到一定值时，锁存器复位，开关管截止。

　　正常运行时，R17的峰值电压由误差放大器控制，满足

　　五、实验结果

　　对设计的电路进行了实验。图4为此开关电源5V输出的电压纹波。

　　

　　测得峰值为30mV，纹波不超过0.6%。表1为该开关电源空载和带载能力测试结果，其中5V带载38，？15V分别带载308，24V带载158。实验表明该开关电源纹波小，负载调整率高，稳压效果好。