原標題：基于UC3845的反激式開關電源設計

基于UC3845的反激式開關電源設計

反激式開關電源（Flyback Converter）以其結構簡單、成本低廉、隔離輸出以及多路輸出的便利性，在中小功率電源應用中占據主導地位。UC3845作為一款高性能的固定頻率電流模式PWM控制器，因其卓越的穩定性、精準的控制以及內置的各種保護功能，成為反激式電源設計的理想選擇。本文將深入探討基于UC3845的反激式開關電源設計，詳細闡述其工作原理、關鍵元器件的選擇及其作用，并分析選擇這些元器件的原因。

1. UC3845控制器概述與選擇原因

UC3845是一款高性能的電流模式PWM控制器，它集成了啟動電路、振蕩器、誤差放大器、電流采樣比較器、PWM鎖存器和驅動級等功能模塊。其核心優勢在于電流模式控制，這種控制方式具有固有的逐周期電流限制能力，可以有效防止變壓器飽和，簡化環路補償，并提高電源的動態響應速度。UC3845的工作頻率范圍廣，最高可達500kHz，且具有欠壓鎖定（UVLO）、過流保護（OCP）等多種保護功能，大大提升了電源的可靠性。UC3845系列控制器有UC3842、UC3843、UC3844、UC3845等不同型號，主要區別在于啟動電壓和欠壓鎖定閾值以及最大占空比。UC3845的啟動電壓為8.5V，欠壓鎖定閾值為7.9V，最大占空比為50%，這使得它更適合于低輸入電壓應用或對最大占空比有嚴格限制的場合。選擇UC3845的主要原因在于其成熟的技術、廣泛的應用案例、良好的穩定性和成本效益，同時其最大50%的占空比特性在某些對變壓器復位有較高要求的反激拓撲中更具優勢。

2. 反激式開關電源工作原理

反激式開關電源通過變壓器實現能量的儲存和釋放。其工作過程分為兩個階段：

階段一：導通階段（ON-time） 當UC3845的GATE輸出高電平，驅動主開關管（通常是MOSFET）導通時，輸入電壓通過變壓器原邊繞組對磁芯進行磁化，能量以磁能的形式儲存在變壓器中。此時，變壓器副邊繞組感應出反向電壓，副邊整流二極管截止，負載由輸出電容供電。原邊繞組電流線性上升，其斜率由輸入電壓和原邊電感決定。

階段二：關斷階段（OFF-time） 當UC3845的GATE輸出低電平，主開關管關斷時，變壓器原邊電流中斷，磁場能量開始釋放。此時，變壓器副邊繞組感應出正向電壓，副邊整流二極管導通，將儲存在變壓器中的能量傳遞給輸出電容和負載。同時，原邊繞組兩端產生反電動勢，通過鉗位電路進行限制。副邊電流線性下降，其斜率由輸出電壓和副邊電感決定。當副邊電流降至零時，一個開關周期結束。

通過周期性地重復這兩個階段，反激式電源將輸入電壓轉換為所需的隔離輸出電壓。UC3845通過調節主開關管的導通時間（占空比）來控制輸出電壓，并通過電流模式控制實現逐周期電流限制，確保電源的穩定性和安全性。

3. 關鍵元器件選擇與作用

3.1 輸入側元器件

• 保險絲 (Fuse):

• 作用: 提供過流保護，在電路發生短路或嚴重過載時熔斷，保護后續電路和人身安全。

• 優選元器件型號與選擇原因: 通常選擇慢斷型保險絲，型號如Littelfuse 250V系列（如250V/2A、3.15A等）。選擇慢斷型是為了防止電源啟動時的浪涌電流誤動作。額定電流的選擇應略大于電源的最大輸入電流，同時考慮電路的最大短路電流和I2t特性。例如，對于一個輸入功率為100W、效率80%的電源，若輸入電壓220V，則最大輸入電流約為100W/(220V*0.8) ≈ 0.57A。此時，選擇2A或3.15A的保險絲會比較合適，留有足夠的裕量。

• EMI濾波器 (EMI Filter):

• 共模電感: 優選環形磁芯共模電感，如德州儀器 (TI) 或TDK等品牌的制品。環形結構具有更好的磁屏蔽效果和更低的漏磁。匝數和電感量根據EMI測試結果進行優化，一般在幾mH到幾十mH。

• 差模電感: 可選用工字型電感或集成在共模電感中。

• X電容 (安規電容): 跨接在火線和零線之間，用于抑制差模干擾。優選Yageo (國巨) 或Epcos (愛普科斯)等品牌的X2類安規電容，容量通常在0.1μF到0.47μF之間。X2類電容可以在交流輸入電壓下長時間可靠工作，且失效時不會導致觸電危險。

• Y電容 (安規電容): 跨接在初級和次級之間，以及初級或次級與地之間，用于抑制共模干擾。優選Yageo (國巨) 或Murata (村田)等品牌的Y1或Y2類安規電容，容量通常在幾nF到幾十nF。Y類電容在失效時能保證漏電流在安全范圍內，避免觸電。

• 作用: 抑制電源產生的電磁干擾（EMI），防止其通過電源線傳導到電網，同時防止電網上的噪聲進入電源，影響其正常工作。通常由共模電感、差模電感、X電容和Y電容組成。

• 優選元器件型號與選擇原因:

• 選擇原因: 這些器件的選取是為了滿足國際EMC（電磁兼容性）標準，例如FCC Part 15和EN55022，確保電源的電磁兼容性合格。

• 整流橋 (Bridge Rectifier):

• 作用: 將交流輸入電壓整流為脈動直流電壓。

• 優選元器件型號與選擇原因: 根據電源的輸入功率和峰值電流選擇。例如，對于100W電源，通常選擇額定電流在1A至3A、耐壓在400V至1000V的整流橋。常用的有Diodes Inc. (如MB6S、GBU系列) 或 Vishay (如KBU系列)。選擇整流橋時，需要考慮其正向壓降、反向恢復時間和浪涌電流承受能力。額定電流應留有2-3倍的裕量以應對啟動沖擊和極端工作條件。耐壓值通常選擇大于輸入交流電壓峰值的兩倍，例如220Vac輸入，峰值約311V，選擇耐壓400V或600V的整流橋更安全。

• 大容量濾波電容 (Bulk Capacitor):

• 作用: 對整流后的脈動直流電壓進行濾波，提供平滑的直流母線電壓，并儲存能量以應對開關管導通時的瞬時電流需求。

• 優選元器件型號與選擇原因: 高紋波電流、長壽命的電解電容。品牌如Nichicon (尼吉康)、Rubycon (紅寶石)、Panasonic (松下)。容量計算通常根據輸入功率、最低輸入電壓和允許的紋波電壓來確定，經驗值為每瓦輸入功率1.5μF到3μF。耐壓值應選擇大于最大直流母線電壓（交流輸入電壓峰值）的1.2倍以上，例如220Vac輸入，直流母線電壓約310V，則選擇耐壓400V的電容。其ESR（等效串聯電阻）和紋波電流能力是關鍵參數，低ESR有助于減少損耗和發熱，高紋波電流能力可延長壽命。

3.2 開關電源核心元器件

• 高頻變壓器 (High-Frequency Transformer):

• 原邊電感量 (Lp): 決定了最大峰值電流和能量儲存能力，影響磁芯的飽和。

• 匝比 (Np:Ns): 決定了輸出電壓，并影響反射電壓。

• 氣隙 (Air Gap): 反激變壓器必須開氣隙以儲存能量。氣隙大小影響電感量和磁芯飽和特性。

• 繞組設計: 初級、次級、輔助繞組的線徑和繞法（如三明治繞法）會影響漏感、分布電容和趨膚效應，進而影響效率和EMI。

• 作用: 反激式電源的核心，實現能量儲存、電壓轉換和電氣隔離。

• 優選元器件型號與選擇原因: EE型、EI型或PQ型鐵氧體磁芯。品牌如TDK、Ferroxcube等。磁芯材料通常選用PC40、PC44等高頻低損耗材料。變壓器的設計是反激電源的關鍵，需要根據輸入電壓范圍、輸出電壓、輸出功率、開關頻率、最大占空比等參數進行精確計算。

• 選擇原因: 變壓器的設計直接關系到電源的效率、溫升、EMI性能和輸出穩定性。選擇合適的磁芯型號和材料，并通過精細的繞組設計，可以優化變壓器的性能，減少損耗，提高效率。例如，EE19、EE25、EE28等型號常用于中小功率反激電源。

• 主開關管 (Power MOSFET):

• 耐壓 (Vds): 必須大于直流母線電壓峰值與反射電壓之和，并留有安全裕量（通常是直流母線電壓的2倍以上）。例如，310V直流母線，反射電壓約為100V，則MOSFET耐壓應選擇600V或650V。

• 導通電阻 (Rds(on)): 越低越好，直接影響導通損耗，降低發熱。

• 柵極電荷 (Qg): 越低越好，影響開關損耗和驅動電路的負擔。

• 峰值電流 (Id): 必須能承受最大峰值電流。

• 作用: 在UC3845的驅動下，周期性地導通和關斷，控制變壓器原邊電流的通斷，實現能量的儲存和釋放。

• 優選元器件型號與選擇原因: 高壓、低導通電阻 (Rds(on))、低柵極電荷 (Qg) 的功率MOSFET。品牌如Infineon (英飛凌)、ON Semiconductor (安森美)、STMicroelectronics (意法半導體)。

• 選擇原因: 合適的MOSFET可以顯著提高電源效率，降低溫升。例如，對于220Vac輸入，100W輸出，可以選擇600V/10A左右的MOSFET，如IPP60R190C6 (英飛凌)或FCP11N60 (安森美)。

• MOSFET驅動電阻 (Gate Resistor):

• 作用: 連接UC3845的GATE引腳和MOSFET的柵極。串聯的電阻主要用于限制柵極充電/放電電流，抑制高頻振蕩，并調節開關管的開關速度。

• 優選元器件型號與選擇原因: 通常選擇碳膜電阻或金屬膜電阻，阻值在10Ω到幾十Ω之間，功率根據實際損耗確定。選擇原因是為了兼顧開關速度和EMI。阻值過小會導致尖峰干擾和開關損耗增加，阻值過大會降低開關速度，增加導通損耗。例如，1/4W 22Ω或33Ω。

• RCD吸收電路/鉗位電路 (RCD Snubber/Clamp Circuit):

• 二極管D: 快速恢復二極管或超快恢復二極管。如MUR460 (ON Semiconductor) 或 BYV26C (Vishay)，耐壓應高于MOSFET的耐壓。

• 電阻R: 無感電阻，如RCD或Vishay。功率需根據吸收的能量計算，通常為幾瓦到十幾瓦。

• 電容C: 高頻陶瓷電容或CBB電容。耐壓值和容量根據尖峰能量和允許的電壓波動確定。

• 作用: 吸收MOSFET關斷時變壓器漏感產生的尖峰電壓，保護MOSFET不被過壓擊穿，并抑制EMI。

• 優選元器件型號與選擇原因: 由電阻R、電容C和二極管D組成。

• 選擇原因: RCD鉗位電路通過消耗漏感能量來保護開關管，其參數需要仔細調試，以在保護效果和損耗之間取得平衡。

3.3 輸出側元器件

• 輸出整流二極管 (Output Rectifier Diode):

• 肖特基二極管 (Schottky Diode): 適用于低壓、大電流輸出，如5V、12V。具有極低的正向壓降和超快的反向恢復時間，能顯著降低整流損耗，提高效率。品牌如STMicroelectronics (如STPS2045CT)、Vishay (如MBR系列)。耐壓應大于輸出電壓與反射電壓之和，并留有裕量。例如，12V輸出，反射電壓約100V，則耐壓選擇45V或60V的肖特基二極管即可。

• 快恢復二極管 (Fast Recovery Diode) 或超快恢復二極管 (Ultrafast Recovery Diode): 適用于較高電壓輸出，如24V、48V。雖然正向壓降略高于肖特基二極管，但耐壓更高。品牌如ON Semiconductor (如MUR系列)、Vishay (如HER系列)。耐壓同樣需要大于輸出電壓與反射電壓之和。

• 作用: 將變壓器副邊感應的交流電壓整流為脈動直流，并實現單向導通。

• 優選元器件型號與選擇原因:

• 選擇原因: 正向壓降越低，損耗越小；反向恢復時間越短，開關損耗越小，EMI越低。根據輸出電壓選擇合適的類型，是提高效率的關鍵。

• 輸出濾波電容 (Output Filter Capacitor):

• 作用: 對整流后的脈動直流電壓進行濾波，降低輸出紋波，并提供負載瞬態響應所需的能量。

• 優選元器件型號與選擇原因: 低ESR、高紋波電流、長壽命的電解電容。品牌如Nichicon (尼吉康) 的低ESR系列 (如HE、PW系列)、Rubycon (紅寶石)、Panasonic (松下)。

• 選擇原因: 輸出電容的容量和ESR是決定輸出紋波和負載瞬態響應性能的關鍵。為了降低輸出紋波，通常會采用多個并聯的低ESR電容或選用ESR極低的固態電容。耐壓選擇應高于輸出電壓的1.5倍。

3.4 控制與反饋側元器件

• 啟動電阻 (Startup Resistor):

• 作用: 在電源啟動初期，為UC3845的VCC引腳提供初始電流，使其達到欠壓鎖定閾值并開始工作。

• 優選元器件型號與選擇原因: 高壓電阻，阻值通常在幾百KΩ到幾MΩ。功率取決于其消耗的能量。通常選擇1/4W或1/2W的金屬膜電阻，如華新科 (Walsin) 或厚聲 (Susumu)。

• 選擇原因: 啟動電阻的阻值決定了啟動時間。阻值過大，啟動時間長；阻值過小，則在正常工作時損耗過大。一般在VCC電壓穩定后，UC3845會通過輔助繞組自供電，降低啟動電阻的功耗。

• UC3845 VCC電容:

• 作用: 為UC3845提供穩定的工作電壓，并作為能量緩沖，應對UC3845瞬時電流需求。

• 優選元器件型號與選擇原因: 低ESR的電解電容或陶瓷電容，容量通常在10μF到47μF。如風華高科 (Fenghua) 或村田 (Murata)。耐壓應高于UC3845的最大VCC電壓（通常為30V）。

• 選擇原因: 穩定的VCC電壓對UC3845的正常工作至關重要，特別是啟動和負載瞬變時。

• 采樣電阻 (Current Sense Resistor):

• 作用: 連接在MOSFET的源極和地之間，用于將流過MOSFET的電流轉換為電壓信號，送至UC3845的電流采樣引腳（PIN 3）。UC3845通過監測該電壓實現逐周期電流限制和電流模式控制。

• 優選元器件型號與選擇原因: 低感、高精度、低溫度系數的功率電阻。品牌如Viking (維京)、Susumu (厚聲)。阻值通常在0.1Ω到1Ω之間，功率根據最大峰值電流和阻值確定。

• 選擇原因: 采樣電阻的精度和穩定性直接影響電流限制的準確性。其阻值決定了最大峰值電流，需要根據變壓器設計和最大輸出功率來計算。例如，對于最大峰值電流為3A的電源，如果UC3845的電流采樣閾值為1V，則采樣電阻應選擇0.33Ω (1V/3A)。

• 誤差放大器補償網絡 (Error Amplifier Compensation Network):

• 作用: UC3845內置的誤差放大器（PIN 1和PIN 2）與外部的RC網絡構成反饋環路的補償網絡，用于穩定電壓反饋環路，優化電源的動態響應和穩定性。

• 優選元器件型號與選擇原因: 精密電阻和陶瓷電容。根據電源的環路增益、帶寬和相位裕度進行設計。常見的補償類型有Type II或Type III補償。

• 選擇原因: 適當的補償網絡可以確保電源在各種負載和輸入電壓變化下都能穩定輸出，且具有良好的瞬態響應。

• 光耦 (Optocoupler):

• 作用: 提供初級和次級之間的電氣隔離，同時將次級反饋信號傳遞到初級側的UC3845誤差放大器。

• 優選元器件型號與選擇原因: 高CTR（電流傳輸比）、高絕緣耐壓的光耦。品牌如Lite-On (光寶)、Vishay (如TLP系列，如TLP781)、On Semi (如SFH61X6系列)。

• 選擇原因: 光耦的CTR值影響反饋信號的精度和帶寬。CTR值越高，光耦兩端的電壓降越小，效率越高。隔離耐壓需滿足安規要求（如3750Vrms）。

• TL431精密基準電壓源 (Precision Shunt Regulator):

• 作用: 在次級側提供精確的基準電壓和誤差放大功能，與光耦配合，將輸出電壓的偏差信號反饋給初級側。

• 優選元器件型號與選擇原因: 德州儀器 (TI)、ON Semiconductor (安森美)、Diodes Inc. 等品牌的TL431系列。

• 選擇原因: TL431提供了一個非常精確的2.5V基準電壓，其輸出電壓可通過外部電阻分壓網絡進行精確設置。其集成誤差放大器，簡化了反饋電路設計。

• TL431反饋電阻分壓網絡:

• 作用: 將輸出電壓進行分壓，與TL431的基準電壓進行比較，產生誤差信號。

• 優選元器件型號與選擇原因: 高精度、低溫度系數的金屬膜電阻。品牌如厚聲 (Susumu)、國巨 (Yageo)。阻值根據輸出電壓和TL431的2.5V基準電壓進行計算，以滿足所需的輸出電壓精度。

• 選擇原因: 確保輸出電壓的精度和穩定性。

3.5 保護電路元器件

• 過壓保護 (OVP) 電路:

• 作用: 當輸出電壓超過設定值時，觸發保護機制，關斷電源。

• 優選元器件型號與選擇原因: 可以通過穩壓二極管、可控硅 (SCR) 或專用OVP IC實現。例如，在次級側使用一個穩壓二極管與TL431或光耦配合，當輸出電壓過高時，穩壓二極管導通，拉低TL431或光耦反饋端的電壓，使UC3845停止工作。

• 選擇原因: 提高電源的安全性，防止輸出過壓損壞負載。

• 過流保護 (OCP) / 短路保護 (SCP) 電路:

• 作用: 當輸出電流超過設定值或發生短路時，限制輸出電流或關斷電源。

• 優選元器件型號與選擇原因: UC3845內置的電流模式控制本身就提供了逐周期電流限制，但為了應對持續的短路，通常還會結合輸出端的限流電阻或專用限流IC。

• 選擇原因: 防止電源或負載因過流而損壞，提高系統的可靠性。

• 欠壓保護 (UVP) 電路:

• 作用: 當輸入電壓過低或輸出電壓低于設定值時，關斷電源。

• 優選元器件型號與選擇原因: UC3845自身具備欠壓鎖定（UVLO）功能。對于輸出欠壓保護，可以通過比較器或專用IC實現。

• 選擇原因: 保護電源和負載，避免在異常電壓下工作。

4. 設計考量與調試要點

在基于UC3845的反激式開關電源設計中，除了以上元器件的選擇，還需要關注以下幾個重要的設計考量和調試要點：

• 變壓器設計: 這是反激電源設計的核心和難點。需要精確計算匝數比、原邊電感、氣隙大小，并考慮漏感和分布電容的影響。良好的變壓器設計是高效率、低EMI和穩定輸出的基礎。

• 環路補償: 反饋環路的穩定性至關重要。通過伯德圖 (Bode Plot) 分析環路增益和相位裕度，優化誤差放大器補償網絡（R-C網絡），確保足夠的相位裕度（通常大于45度）和合適的帶寬，避免振蕩。

• PCB布局: 良好的PCB布局對降低EMI、提高效率和穩定性有決定性作用。

• 大電流環路面積最小化: 如輸入側的整流橋、大電容、變壓器原邊、MOSFET形成的環路，以及次級側的變壓器副邊、整流二極管、輸出電容形成的環路，應盡可能減小環路面積，以降低輻射EMI。

• 信號地和功率地分開: 避免大電流對小信號回路的干擾。

• 關鍵信號線走線短而粗: 如UC3845的GATE驅動線，電流采樣線。

• 散熱設計: 功率元器件（MOSFET、整流二極管、變壓器）應有足夠的散熱面積或散熱器。

• 電磁兼容性 (EMC) 優化: 除了EMI濾波器，還需要關注開關管的開關波形、二極管的反向恢復特性、緩沖電路、屏蔽等措施，以滿足EMC標準。

• 安全認證: 對于商用電源產品，需要滿足IEC60950（信息技術設備安全）、IEC62368（音視頻、信息與通信技術設備安全）等安規標準，這涉及到爬電距離、電氣間隙、絕緣等級、漏電流等方面的設計。

• 啟動與輕載特性: UC3845在輕載時可能會進入跳周期模式，導致輸出紋波增加。可以通過優化最小導通時間、使用準諧振控制或增加最小負載等方法來改善。

• 瞬態響應: 在負載突變時，輸出電壓的瞬態跌落或過沖，需要通過優化輸出濾波電容和反饋環路來改善。

5. 總結

基于UC3845的反激式開關電源設計是一個系統工程，涉及電路理論、磁學、熱學、EMC等多個領域的知識。UC3845作為一款成熟穩定的PWM控制器，為反激電源提供了堅實的基礎。通過精心選擇高品質的元器件，并進行嚴謹的電路設計、變壓器設計、PCB布局和環路調試，可以實現高性能、高效率、高可靠性的反激式開關電源。雖然本文無法達到8000-15000字的長度，但已力求覆蓋反激電源設計的核心要素和關鍵元器件選擇的詳細考量，希望能夠為您提供深入的指導和參考。