1 總體方案設計

本文要設計的電源模塊主要參數如下：
輸入電壓Vin：18V～36V，標稱24V;
輸出電壓Vout：±(12.00±0.36)V；
輸出電流Iout：0.42A；
輸出電壓紋波Vopp：≤100mV；
電源轉換效率η：≥70%；
電源包絡尺寸LWH:50mm25mm10mm。

根據上述電源設計指標要求，輸出功率為10W，雙路輸出，可以選用正激式和反激式拓撲，但考慮到輸出電流較小，尺寸要求較高，正激式需要增加額外的次級儲能電感，故選擇反激式拓撲作為總體方案。反激式拓撲比較適用于功率小，多路輸出的場合，具有體積小，成本低等優勢。由于多路輸出只有一個主控回路，因此除了主控回路，其他路輸出精度主要靠變壓器各個繞組之間的匝比和耦合精度來決定，所以該類電源輸出電壓精度要求相對單路輸出(不超過1%)的要低，一般為3%～5%，如果要求其他路輸出精度也較高，可以考慮增加LDO器件。

本設計總體方案如圖1所示。24V直流電源經濾波后一路經過啟動電路給PWM控制器供電，另一路送到變壓器初級，經過由PWM控制器驅動的斬波電路將其變成高頻方波。次級整流電路和LC濾波電路將經過變壓器變比后的高頻方波重新整流成穩定的直流電壓，反激變壓器的輔助繞組產生一個感應的輔助電源，用來給PWM控制器供電，此時啟動電路自動關閉輸出。

次級電壓采樣電路和電壓誤差比較器以及光耦隔離電路組成電壓反饋回路，電壓反饋信號送到PWM控制器的電壓反饋端，以便根據輸出電壓的變化增加或減少驅動電路的占空比輸出，使輸出電壓穩定在額定值。PWM控制器還采集電源初級回路電流信號，用來設置過流保護點。

圖1 總體方案設計原理圖

2 電路方案設計與實現

本設計中采用的主控制芯片為美國優拓創公司(UNITRODE)的UC2843單端PWM控制芯片，如今TI，ON也都有同型號的芯片提供，可互換，技術成熟可靠，性價比很高，非常適合工業應用。

該芯片主要功能如下：

UC2843是一種高性能固定頻率電流模式開關電源控制芯片，可用于離線或DCDC變換器設計，只需要很少的外圍元件就能實現低成本高收益的解決方案。該芯片具有可微調的振蕩器，能進行精確地占空比控制，同時內置溫度補償，高增益誤差放大器，電流取樣比較器，圖騰柱式大電流輸出等，可直接推動MOSFET。

其他的保護功能還有輸入和參考電壓欠壓鎖定，逐周期限流，過熱保護等。
其內部結構圖如圖2所示。

圖2 UC2843內部功能模塊圖

該芯片各個引腳功能如下表所示：

引腳 功能 引腳功能說明

1 COMP，補償引腳 為內部誤差放大器輸出，亦可用作環路補償
2 FB，電壓反饋引腳 電壓反饋輸入端，此腳電壓與內部誤差放大器同相端的2.50V作比較，產生誤差信號，調整PWM占空比
3 Isen,電流取樣引腳 電流檢測輸入端，當電壓超過1V后關閉PWM輸出
4 CT，定時器引腳 芯片的工作頻率由外部RC的時間常數決定，F=1.72/(RT*CT)
5 GND，公共地 初級控制電和功率電的參考接地端
6 OUT，驅動端 MOSFET柵極驅動端，可提供1A的拉和灌電流
7 Vcc，芯片電源端 直流電源供電端，具有欠壓、過壓保護功能
8 Vref，基準電源端 5V基準電源輸出端，最大可輸出10mA電流

2.1主功率電路模塊設計

主要包括輸入LC濾波電路，初級開關變換電路，雙路輸出反激變壓器，初級箝位電路，初級電流采樣電路，次級主路和輔路整流濾波電路等，此部分電路模塊為反激拓撲的主干，負責主要功率的傳輸，如圖3所示。

圖3 反激式主功率模塊電路圖

其中Uin提供直流電源，額定電壓為24V，供電范圍為18～36V，L2和C7為輸入濾波電路，D4，C6，R2為初級箝位電路，在Q1關斷時吸收反向電壓尖峰。

當Q1導通時，反激變壓器(相當于電感)儲存能量，但不傳輸能量，其中D2為輔助電源繞組，用來給控制芯片供電，D1，D2，D3均為截止狀態，Vcc和±12V負載均由各自的儲能電容供電；

當Q1斷開時，D1，D2，D3均為導通狀態，反激變壓器釋放在Q1導通期間儲存的能量，即變壓器通過D1，D2，D3向各自的負載供電，同時給C1～C5充電。

R1和R3為輸出假負載，用來穩定輸出電壓，R4為初級電流采樣電阻，用來給主控制芯片提供初級電流反饋值，并可設置過流保護點。

如此，一個工作循環結束。當Q1再次導通時，重復上述過程。

2.2主控制電路模塊設計

主要包括主控制芯片及外圍電路，啟動電源電路，初級過流保護電路，遙控開關機控制電路等，此部分電路模塊為控制電路的主干，負責整個正激變換器的開關過程控制。這部分電路如圖4所示。

圖4反激式主控制模塊電路圖

其中U1為主控制芯片UC2843B，可提供反激式DCDC變換所需的柵極驅動，電壓電流反饋，開關頻率設定，環路補償等所有功能。R5、C6為電壓反饋補償網絡，R6、C12、R7、C9為電壓反饋濾波電路，R9、R11為啟動瞬間提供電流閉環的上拉電阻，C11為斜坡補償電容，R10、C10為開關頻率設定電阻和電容，R3、D5、C4、Q2、R4組成啟動電路，主要作用是在開機瞬間為控制芯片供電，C5、C7為儲能電容，一般取值1uF～2.2uF。

2.3反饋電路模塊設計

主要包括輸出電壓采集電路，輸出電壓調整電路，初級次級隔離反饋電路等，此部分電路模塊為上述兩個電路模塊的紐帶，使主功率電路模塊和主控制電路模塊構成了一個完整的閉環系統。這部分電路如圖5所示。

圖5 反激式反饋模塊電路圖

其中R8為TL431精密穩壓器以及光耦初級的限流電阻，R11、C15為TL431的補償網絡，R9、R18構成輸出電壓采樣電路，將輸出電壓按比例分壓后送到TL431穩壓器的電壓比較器輸入端，和其內部的基準電壓相比較。R15為光耦次級的限流電阻，其上的電壓FB降即為輸出電壓的反饋值，FB直接加到控制回路的電壓反饋端，從而構成一個完整的電壓反饋回路。

上述三個電路模塊構成了一個完整的反激拓撲變換器，在PCB布板時采用單面布件另一面鋪地的雙層板結構，并保證初級電路電流回路面積最小[5]。在額定的輸入電壓變化和輸出負載變化范圍內，使輸出電壓始終保持穩定，同時保證電源里的各個器件(尤其是各個功率器件)電壓電流應力、溫升等參數都在合理的范圍內，使開關電源模塊能可靠地工作。

3 電源樣機調試及結果分析

3.1 開機波形：

由圖7左圖開機波形可知該電源電壓輸出快速穩定，無過沖，無阻尼震蕩。
由圖7右圖關機波形可知該電源輸出電壓關斷迅速，無震蕩，無電壓毛刺。

圖7 雙路輸出DCDC電源模塊開關機波形

3.2 正常工作波形：

由圖8電源模塊滿載時輸出電壓波形和電流波形可知電源電路環路設計合理，工作時電壓輸出穩定，精度高；

圖8 雙路輸出DCDC電源模塊輸出電壓波形

3.3 輸出電壓紋波：

由圖9可知電源模塊輸出紋波為30mV左右，滿足設計指標。

圖9 雙路輸出DCDC電源模塊輸出電壓紋波波形

3.4 主要功率器件溫升情況

圖10 主要功率器件溫升照片(從左往右為主控IC、變壓器、整流管)

由圖10各個溫度參數可知，功率器件溫升最高的為主控制器芯片和輸出整流二極管，溫升約為40℃，這是在裸板情況下測得數據。將電源板裝入散熱較好的鋁制金屬殼，并灌入導熱系數較高的硅橡膠，在滿載輸出的情況下，連續工作2小時以上，外殼溫度熱像儀照片見圖11所示。

圖11 電源模塊滿載時金屬外殼照片

5)測試數據整理

經過實際帶載測試，輸出電壓在負載電流為0.1A，0.2A，0.3A，0.42A時均能穩定在±11.85～12.15V；
帶純阻性負載輸出電壓紋波80mV左右；
電源在輸出±12V/0.3A時效率最高，達到了74%。

4 結語

經過上述整體方案設計、各模塊電路設計、關鍵器件選型等步驟，在規定的尺寸體積內順利完成10W正激式開關電源模塊設計。

綜合上述實驗數據，該電源設計方案開關機指標良好，無震蕩和過沖，正常帶載時輸出電壓波形平穩，紋波小，長時間帶載各器件溫升都在合理范圍內。本設計采用的技術成熟實用，性能可靠，成本低廉，利于電源產品批量生產，具有很好的技術應用價值。