变频空调控制器用开关稳压电源的研究

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摘　要：设计了一种变频空调控制器用开关稳压电源电路，介绍了电源电路设计中应注意的问题以及所采取的对策，并给出了该电源的实用电路。 1　引言 　　开关电源具有效率高、体积小、重量轻的优点，是传统线性电源的理想换代产品。尤其是近年来，随着半导体技术突飞猛进的发展，快速大功率的MOSFET、IGBT的问世，使无工频变压器的开关电源迅速实用化，并在变频空调、彩色电视机、微型计算机等一系列产品中广泛使用。目前，开关电源正以每年15%的增长率增长，约占整个电源市场的一半以上。本文结合变频空调控制器要求电源体积小、损耗小、成本低的特点，采用电流控制型单端输出式脉冲宽度调制器UC3842，设计并调试了一种单端反激式开关电源实用电路。 ( N/ P1 x, k* o" w$ S5 u% I2　开关电源的电路设计 2.1　UC3842芯片简介 　　UC3842是近年来问世的新型脉冲宽度调制器，性能优越，价格低廉。其主要优点是电压调整率好(可达0.1%)，工作频率高(最高500kHz)，起动电流小(小于1mA)，外电路接线简单，驱动电平非常适用于驱动N沟道的功率MOSFET管，适宜于制作20～80W的小功率开关电源。图1示出UC3842的内部电路框图及引脚图，封装形式为DIP—8。性能特点如下。 9 Y; D# `: s3 y, b/ D

图1　UC3842的内部电路框图及引脚图 　　UC3842为固定工作频率脉宽调整控制方式，内部有5V精密基准电压，具有完备的欠电压、过电压及过电流保护。 # r+ F" y4 z/ {6 O: [　　UC3842的开起电压为16V，关断电压为10V，其实质为滞回比较器。6V的起动、关闭差值可有效地防止电路在阀值电压附近工作时产生振荡。UC3842输入端设置了一个34V的稳压管，保证内部电路绝对工作在34V以下，以防止高压损坏芯片。 　　UC3842的振荡器工作频率由④脚外接的定时电阻Rt、定时电容Ct设定，其计算公式为f=1/t=1/(0.55RtCt)=1.8/(RtCt)。 　　UC3842的电流感应和限制电路灵敏简单。可采用回路串电阻的方法取样引至3端。当3端电压小于1V时，脉宽调制器处于正常工作状态，当3端电压等于或大于1V时，PWM电流感应比较器输出高电平将PWM锁存器复位使输出关闭。如果故障消失，下一个时钟脉冲列使PWM锁存器自动置位。PWM锁存器的作用是保证一个振荡周期仅出现一个控制脉冲，因而有效地防止了噪声的干扰。 / \0 C: k9 P/ ?% w4 ?　　UC3842的输出能给出足够的拉电流和灌电流，所以非常适用于驱动N沟道功率MOSFET管，也可以直接驱动双极晶体管。 - W" j8 |6 T6 ^. P$ q2.2　电源电路原理图 7 a2 h/ e9 I% |　　图2示出采用UC3842构成的实用开关电源的电路。图中PNF为输入滤波回路及冲击电流抑制回路。T为高频开关变压器，材料为MXO-2000铁氧体，磁导率μ=2000，所采用的磁芯为EI-40。开关管选用MTH8N90型VMOSFET管。该电源共有7路输出，其中4路15±1.5V、0.4A供给IPM逆变模块驱动用，1路5V、0.5A作为CPU电源，2路12V、0.8A分别供给继电器、四通阀及电压、电流检测用。电源总输出功率约为45W。电源的基本工作原理如下：

图2　开关电源原理图 　　交流220V电源经整流滤波后，产生约300V的直流电，经起动电阻R2向电容C9充电，当C9上的电压超过16V时电路起动，开关功率管MTH8N90开始在导通与关断之间交替工作。当进入正常工作状态后，反馈线圈Nf上的高频电压经V2、C1整流滤波，作为UC3842的正常工作电压。 2 r4 O9 r" T2 @# r　　开关管导通时，与输出线圈相连接的整流二极管反偏，能量储存在一次线圈的电感中；开关管关闭时，线圈(一次侧)的电压极性翻转，一次线圈中储存的能量释放到二次线圈，整流二极管正偏，整流滤波后的稳定电源供给负载。 3　设计中的注意事项 & h7 ]/ s2 T1 Q5 X# P1 ]3.1　UC3842工作频率的设定 　　由UC3842构成的单端反激式开关电源，受制作工艺、开关功率管频率特性等因素的限制，通常将工作频率f设计在几十千赫以下。使用VMOSFET管时，f≈40kHz；用双极性开关功率管时，f≈20kHz为宜。本电源Rt=R5=10kΩ,Ct=C6=4700pF,开关电源工作频率为f≈1.8/(R5C6)≈40kHz。 # L& x) ~7 j. w- g; @+ u) @! t3.2　开关功率MOSFET管驱动电阻的选择 ' ^* X* `. R, d: p　　选择适当的栅极串联电阻R10对开关功率管的驱动相当重要。R10小，可减小开关时间和开关损耗，但浪涌电压高；R10大，反之。适当增大R10可消除振荡，减小di/dt上冲。R10的取值在浪涌电压和开关损耗之间均衡，一般取20～100Ω之间。 * c3 {' M- x4 h/ T2 o9 W2 d. i) f3.3　三端线性集成稳压器的使用 　　在所设计的变频空调控制器开关电源的7路输出中，供给CPU的5V和供给电压、电流检测用的12V两路电源要求比较高，在输出电路中采用了MC7805、MC7812三端线性稳压器。在使用中应注意的是稳压器输入、输出电压差的选择。当负载比较大时，尽量缩小压差，否则将导致集成稳压块过热保护，电路不能正常工作。一般压差取1.5～3V，但压差最低不能小于1V，此时稳压器将不工作。在不能避免压差值乘负载电流值超过Pmax时，应考虑选用功率容量更大一些的稳压器或降格使用以及器件的并联使用。 3.4　变压器的绕制 7 P# ^- N1 B$ D" ?/ K　　绕制开关变压器最重要的是想办法使一、二次线圈紧密地耦合在一起，尽量使一、二次线圈之间的距离近些，这样可以减小变压器漏感。通常有逐层式绕法和夹层式绕法 。逐层式绕法为1，3，5等奇数层绕一次绕组；2，4，6等偶数层绕二次绕组。夹层式绕法，在降压式电源中，把二次绕组绕在一次绕组的中间，一次绕组分两次绕制；在升压式电源中，则相反。两种绕法相比较，后一种漏感比前一种稍大，但也能满足要求，且工艺简单，便于批量生产，故应用较广。 & y: |6 p$ b5 c( ]6 G  k8 M- ?) \3.5　RCV吸收电路 7 N" Z# W, x; _# `1 F5 s% g/ x　　由于高频变压器T存在漏感，在开关管关断时，漏感在开关管导通期间的储能在T一次侧产生很高的反向尖峰电压，有可能击穿开关管，所以通常在变压器一次侧和MOSFET的漏-源极两端接有R、C、V吸收电路。构成两级吸收回路，用于吸收漏感上的能量，保护开关管。 8 L* P  `0 T9 D8 r) h# v4 S; S2 w3.6　输入滤波电路 　　为了防止输入电源串入噪声和抑制开关电源产生的噪声反馈到输入电源。本文采用了图3所示的滤波电路，Cx用于滤除常态噪声，Cy与共模扼流圈一起滤除共模噪声。一般电容Cx的容量选用0.1～0.47μF，Cy选用1000～4700pF。 & E2 A  Z# {/ b8 u* p

图3　输入滤波及冲击电流抑制回路 3.7　冲击电流抑制电路 ' T/ y1 g/ g  f9 G1 n2 D# v; C  G　　为了对电容输入型回路的通断器、输入熔丝、整流器等进行保护，同时减小对其他电子设备造成恶劣的影响，大多实用电路都需要接入冲击电流抑制回路。最简单的方式是采用如图3所示的串联电阻R的方式，一般R=1～2Ω，有时为提高整个电源的效率，可在R两端并联一个晶闸管。当电路起动时，晶闸管关断，电网电压经R后再整流，以减少冲击电流，待电路工作正常后，晶闸管导通，R不再流过电流。 4　结论 ; o; _7 T5 Y# J* m8 j. r6 Z8 m* g　　(1)开关电源的采用，缩小了控制器电源的体积，提高了整个控制系统的效率。 7 `0 \* \" m- a　　(2)电源控制芯片采用UC3842，使得所设计电源线路简单，元器件少，成本低。 　　(3)所设计开关电源在浙江省科委1998年鉴定项目KYR-C01/B变频空调电控系统中应用证明，具有抗干扰能力强，可靠性高，输入电压范围宽(AC160～250V)等一系列优点。该电源完全可替代线性电源作为控制器的工作电源 * t" y- d& y4 K/ i