開關(guān)電源憑借其高效節(jié)能、體積小巧等優(yōu)勢(shì)，已成為現(xiàn)代電子設(shè)備供電的主流選擇。相較于傳統(tǒng)的工頻變壓器電源，開關(guān)電源摒棄了笨重的工頻變壓器，通過高頻開關(guān)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換，極大地提高了電源效率并減小了體積。單端反激式開關(guān)電源作為開關(guān)電源家族中的一員，因其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸入輸出電氣隔離以及成本低廉等特性，在小功率電源應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)著重要地位。從手機(jī)充電器到工業(yè)控制設(shè)備的輔助電源，單端反激式開關(guān)電源廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)景。而在其設(shè)計(jì)過程中，電路級(jí)設(shè)計(jì)和電壓反饋環(huán)設(shè)計(jì)是確保電源性能穩(wěn)定、輸出電壓精準(zhǔn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

單端反激式開關(guān)電源工作原理

單端反激式變換器的工作過程猶如一場(chǎng)有序的電能 “接力賽”。當(dāng)主開關(guān)管(如 MOSFET)在控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下導(dǎo)通時(shí)，直流輸入電壓迅速施加到高頻變壓器的初級(jí)繞組。此時(shí)，變壓器初級(jí)繞組如同一個(gè)能量 “儲(chǔ)存罐”，電流線性上升，電能以磁場(chǎng)能的形式被存儲(chǔ)在變壓器中。而次級(jí)繞組由于感應(yīng)電壓的極性，使得整流二極管反向截止，次級(jí)回路處于斷開狀態(tài)，負(fù)載無法從次級(jí)獲得能量。

當(dāng)主開關(guān)管截止時(shí)，變壓器初級(jí)繞組中的電流迅速歸零，磁場(chǎng)發(fā)生變化。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，變壓器次級(jí)繞組的電壓極性反轉(zhuǎn)，整流二極管導(dǎo)通，變壓器將之前儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能，通過整流二極管輸送給負(fù)載，直至下一個(gè)開關(guān)周期開始。如此周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)了從輸入直流電壓到穩(wěn)定輸出直流電壓的轉(zhuǎn)換。這種工作模式下，變壓器不僅承擔(dān)了電壓變換的任務(wù)，還在開關(guān)管導(dǎo)通和截止期間分別扮演了能量?jī)?chǔ)存和釋放的角色 。

開關(guān)電源電路級(jí)設(shè)計(jì)

主電路設(shè)計(jì)

單端反激式開關(guān)電源的主電路是整個(gè)電源系統(tǒng)的 “動(dòng)力引擎”。其輸入通常接整流濾波后的直流電壓，該直流電壓經(jīng)過主開關(guān)管與高頻變壓器初級(jí)繞組相連。主開關(guān)管的選型至關(guān)重要，需依據(jù)電源的功率等級(jí)、輸入電壓范圍以及開關(guān)頻率等因素綜合確定。例如，在小功率應(yīng)用中，常選用低導(dǎo)通電阻、快速開關(guān)速度的 MOSFET 作為主開關(guān)管，以降低導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。高頻變壓器則是主電路的核心部件，其設(shè)計(jì)涉及多個(gè)參數(shù)的計(jì)算，如初級(jí)電感量、匝數(shù)比等。初級(jí)電感量決定了變壓器在開關(guān)管導(dǎo)通期間存儲(chǔ)能量的大小，匝數(shù)比則直接影響輸出電壓的高低 。

RC 吸收回路

在感性負(fù)載的電路世界里，開關(guān)管關(guān)斷瞬間猶如一場(chǎng) “電氣風(fēng)暴”。當(dāng)主開關(guān)管突然截止時(shí)，高頻變壓器初級(jí)繞組的漏感會(huì)產(chǎn)生一個(gè)極高的自感電動(dòng)勢(shì)，若不加以抑制，這個(gè)尖峰電壓足以擊穿開關(guān)管，對(duì)電路造成毀滅性打擊。RC 吸收回路便是這場(chǎng) “風(fēng)暴” 中的 “平息者”。它由電阻和電容串聯(lián)組成，一端連接在開關(guān)管的漏極與源極之間，另一端接地。當(dāng)尖峰電壓出現(xiàn)時(shí)，電容迅速充電，吸收部分能量，電阻則在電容放電時(shí)將能量以熱能的形式消耗掉，從而有效鉗位尖峰電壓，保護(hù)開關(guān)管的安全。同時(shí)，RC 吸收回路還能抑制電路中因電壓變化率(dv/dt)過大對(duì)器件產(chǎn)生的沖擊，確保電路穩(wěn)定運(yùn)行 。

控制芯片(以 UC3843 為例)

UC3843 作為一款高性能固定頻率電流模式控制器，宛如單端反激式開關(guān)電源的 “智慧大腦”。其管腳功能豐富且各司其職，1 管腳用于補(bǔ)償端口，外接 RC 網(wǎng)絡(luò)可對(duì)誤差放大器的頻率響應(yīng)進(jìn)行精細(xì)調(diào)整;2 管腳為電壓反饋輸入端口，通過該端口輸入的反饋電壓與內(nèi)部 2.5V 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓，進(jìn)而調(diào)整輸出脈沖占空比;3 管腳是電流取樣輸入端口，通過檢測(cè)主開關(guān)管的電流，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)等功能;4 管腳連接定時(shí)電阻和電容，精準(zhǔn)確定振蕩器的工作頻率;5 管腳接地，為芯片提供穩(wěn)定的參考電位;6 管腳作為輸出端口，輸出具有足夠驅(qū)動(dòng)能力的脈沖信號(hào)，直接驅(qū)動(dòng)主開關(guān)管的導(dǎo)通與截止;7 管腳接入電源 VCC，為芯片正常工作提供能量;8 腳輸出穩(wěn)定的 5V 參考電壓，為其他電路模塊提供基準(zhǔn) 。

UC3843 專為離線和直流至直流變換器應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有諸多卓越特性。其電壓調(diào)整率可達(dá) 0.01%，意味著輸出電壓極為穩(wěn)定;工作頻率高達(dá) 50kHz，能夠適應(yīng)高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)需求;啟動(dòng)電流低于 1mA，大大降低了電源啟動(dòng)時(shí)的功耗;外圍元件少，極大地簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)和布局，降低了成本 。

電壓反饋環(huán)的設(shè)計(jì)

電壓反饋模塊

電壓反饋環(huán)如同開關(guān)電源的 “穩(wěn)壓器官”，確保輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值附近。電壓反饋電路類型多樣，基本反饋電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但穩(wěn)壓精度有限;改進(jìn)型基本反饋電路在一定程度上提升了性能;配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路利用光耦實(shí)現(xiàn)電氣隔離，增強(qiáng)了穩(wěn)定性;而配 TL431 的精密光耦反饋電路則憑借其出色的穩(wěn)壓性能脫穎而出。

在配 TL431 的精密光耦反饋電路中，TL431 型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器宛如一位精準(zhǔn)的 “電壓裁判”。它通過對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，并與自身內(nèi)部的 2.5V 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行嚴(yán)格比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)，控制光耦中發(fā)光二極管的電流。光耦則如同一個(gè) “電氣隔離使者”，將輸出端的電壓變化信號(hào)以光信號(hào)的形式傳輸?shù)捷斎攵耍M(jìn)而調(diào)節(jié)控制芯片的反饋電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的精準(zhǔn)調(diào)整。對(duì)于多路輸出的開關(guān)電源，將主輸出作為主要反饋信號(hào)的同時(shí)，把其他各路輔助輸出按照一定比例反饋到 TL431 的 2.5V 基準(zhǔn)端，如同為整個(gè)電源系統(tǒng)建立了一個(gè)全方位的 “電壓監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)”，極大地提高了多路輸出式開關(guān)電源的整體穩(wěn)定性 。

電流反饋環(huán)與電壓反饋環(huán)的協(xié)同

電流反饋環(huán)與電壓反饋環(huán)并非孤立工作，而是緊密協(xié)作，如同電源系統(tǒng)中的 “雙保險(xiǎn)”。電流環(huán)通過電流檢測(cè)電阻將開關(guān)管的電流轉(zhuǎn)化為電壓反饋信號(hào)，與電壓控制環(huán)檢測(cè)的電壓信號(hào)一同送入控制芯片進(jìn)行比較和處理。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化或輸入電壓波動(dòng)時(shí)，電流環(huán)能夠迅速響應(yīng)，對(duì)開關(guān)管的電流進(jìn)行調(diào)整，而電壓環(huán)則從宏觀上對(duì)輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)定控制。兩者相互配合，使開關(guān)電源在面對(duì)各種復(fù)雜工況時(shí)，都能確保輸出電壓的穩(wěn)定和電流的合理分配，提高了電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和抗干擾能力 。

結(jié)論

單端反激式開關(guān)電源的電路級(jí)和電壓反饋環(huán)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性、系統(tǒng)性的工程。通過精心設(shè)計(jì)電路級(jí)的各個(gè)模塊，如主電路、RC 吸收回路以及合理選用控制芯片，為電源的穩(wěn)定運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。而精準(zhǔn)設(shè)計(jì)的電壓反饋環(huán)，尤其是采用配 TL431 的精密光耦反饋電路，以及電流反饋環(huán)與電壓反饋環(huán)的協(xié)同工作，使得開關(guān)電源能夠在各種復(fù)雜的工作條件下，輸出穩(wěn)定、精準(zhǔn)的直流電壓。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，單端反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)也將不斷優(yōu)化和創(chuàng)新，以滿足日益增長(zhǎng)的高效、節(jié)能、小型化的電源需求 。