原标题：基于UC3845的反激式开关电源设计

基于UC3845的反激式开关电源设计

反激式开关电源（Flyback Converter）以其结构简单、成本低廉、隔离输出以及多路输出的便利性，在中小功率电源应用中占据主导地位。UC3845作为一款高性能的固定频率电流模式PWM控制器，因其卓越的稳定性、精准的控制以及内置的各种保护功能，成为反激式电源设计的理想选择。本文将深入探讨基于UC3845的反激式开关电源设计，详细阐述其工作原理、关键元器件的选择及其作用，并分析选择这些元器件的原因。

1. UC3845控制器概述与选择原因

UC3845是一款高性能的电流模式PWM控制器，它集成了启动电路、振荡器、误差放大器、电流采样比较器、PWM锁存器和驱动级等功能模块。其核心优势在于电流模式控制，这种控制方式具有固有的逐周期电流限制能力，可以有效防止变压器饱和，简化环路补偿，并提高电源的动态响应速度。UC3845的工作频率范围广，最高可达500kHz，且具有欠压锁定（UVLO）、过流保护（OCP）等多种保护功能，大大提升了电源的可靠性。UC3845系列控制器有UC3842、UC3843、UC3844、UC3845等不同型号，主要区别在于启动电压和欠压锁定阈值以及最大占空比。UC3845的启动电压为8.5V，欠压锁定阈值为7.9V，最大占空比为50%，这使得它更适合于低输入电压应用或对最大占空比有严格限制的场合。选择UC3845的主要原因在于其成熟的技术、广泛的应用案例、良好的稳定性和成本效益，同时其最大50%的占空比特性在某些对变压器复位有较高要求的反激拓扑中更具优势。

2. 反激式开关电源工作原理

反激式开关电源通过变压器实现能量的储存和释放。其工作过程分为两个阶段：

阶段一：导通阶段（ON-time） 当UC3845的GATE输出高电平，驱动主开关管（通常是MOSFET）导通时，输入电压通过变压器原边绕组对磁芯进行磁化，能量以磁能的形式储存在变压器中。此时，变压器副边绕组感应出反向电压，副边整流二极管截止，负载由输出电容供电。原边绕组电流线性上升，其斜率由输入电压和原边电感决定。

阶段二：关断阶段（OFF-time） 当UC3845的GATE输出低电平，主开关管关断时，变压器原边电流中断，磁场能量开始释放。此时，变压器副边绕组感应出正向电压，副边整流二极管导通，将储存在变压器中的能量传递给输出电容和负载。同时，原边绕组两端产生反电动势，通过钳位电路进行限制。副边电流线性下降，其斜率由输出电压和副边电感决定。当副边电流降至零时，一个开关周期结束。

通过周期性地重复这两个阶段，反激式电源将输入电压转换为所需的隔离输出电压。UC3845通过调节主开关管的导通时间（占空比）来控制输出电压，并通过电流模式控制实现逐周期电流限制，确保电源的稳定性和安全性。

3. 关键元器件选择与作用

3.1 输入侧元器件

• 保险丝 (Fuse):

• 作用: 提供过流保护，在电路发生短路或严重过载时熔断，保护后续电路和人身安全。

• 优选元器件型号与选择原因: 通常选择慢断型保险丝，型号如Littelfuse 250V系列（如250V/2A、3.15A等）。选择慢断型是为了防止电源启动时的浪涌电流误动作。额定电流的选择应略大于电源的最大输入电流，同时考虑电路的最大短路电流和I²t特性。例如，对于一个输入功率为100W、效率80%的电源，若输入电压220V，则最大输入电流约为100W/(220V*0.8) ≈ 0.57A。此时，选择2A或3.15A的保险丝会比较合适，留有足够的裕量。

• EMI滤波器 (EMI Filter):

• 共模电感: 优选环形磁芯共模电感，如德州仪器 (TI) 或TDK等品牌的制品。环形结构具有更好的磁屏蔽效果和更低的漏磁。匝数和电感量根据EMI测试结果进行优化，一般在几mH到几十mH。

• 差模电感: 可选用工字型电感或集成在共模电感中。

• X电容 (安规电容): 跨接在火线和零线之间，用于抑制差模干扰。优选Yageo (国巨) 或Epcos (爱普科斯)等品牌的X2类安规电容，容量通常在0.1μF到0.47μF之间。X2类电容可以在交流输入电压下长时间可靠工作，且失效时不会导致触电危险。

• Y电容 (安规电容): 跨接在初级和次级之间，以及初级或次级与地之间，用于抑制共模干扰。优选Yageo (国巨) 或Murata (村田)等品牌的Y1或Y2类安规电容，容量通常在几nF到几十nF。Y类电容在失效时能保证漏电流在安全范围内，避免触电。

• 作用: 抑制电源产生的电磁干扰（EMI），防止其通过电源线传导到电网，同时防止电网上的噪声进入电源，影响其正常工作。通常由共模电感、差模电感、X电容和Y电容组成。

• 优选元器件型号与选择原因:

• 选择原因: 这些器件的选取是为了满足国际EMC（电磁兼容性）标准，例如FCC Part 15和EN55022，确保电源的电磁兼容性合格。

• 整流桥 (Bridge Rectifier):

• 作用: 将交流输入电压整流为脉动直流电压。

• 优选元器件型号与选择原因: 根据电源的输入功率和峰值电流选择。例如，对于100W电源，通常选择额定电流在1A至3A、耐压在400V至1000V的整流桥。常用的有Diodes Inc. (如MB6S、GBU系列) 或 Vishay (如KBU系列)。选择整流桥时，需要考虑其正向压降、反向恢复时间和浪涌电流承受能力。额定电流应留有2-3倍的裕量以应对启动冲击和极端工作条件。耐压值通常选择大于输入交流电压峰值的两倍，例如220Vac输入，峰值约311V，选择耐压400V或600V的整流桥更安全。

• 大容量滤波电容 (Bulk Capacitor):

• 作用: 对整流后的脉动直流电压进行滤波，提供平滑的直流母线电压，并储存能量以应对开关管导通时的瞬时电流需求。

• 优选元器件型号与选择原因: 高纹波电流、长寿命的电解电容。品牌如Nichicon (尼吉康)、Rubycon (红宝石)、Panasonic (松下)。容量计算通常根据输入功率、最低输入电压和允许的纹波电压来确定，经验值为每瓦输入功率1.5μF到3μF。耐压值应选择大于最大直流母线电压（交流输入电压峰值）的1.2倍以上，例如220Vac输入，直流母线电压约310V，则选择耐压400V的电容。其ESR（等效串联电阻）和纹波电流能力是关键参数，低ESR有助于减少损耗和发热，高纹波电流能力可延长寿命。

3.2 开关电源核心元器件

• 高频变压器 (High-Frequency Transformer):

• 原边电感量 (Lp): 决定了最大峰值电流和能量储存能力，影响磁芯的饱和。

• 匝比 (Np:Ns): 决定了输出电压，并影响反射电压。

• 气隙 (Air Gap): 反激变压器必须开气隙以储存能量。气隙大小影响电感量和磁芯饱和特性。

• 绕组设计: 初级、次级、辅助绕组的线径和绕法（如三明治绕法）会影响漏感、分布电容和趋肤效应，进而影响效率和EMI。

• 作用: 反激式电源的核心，实现能量储存、电压转换和电气隔离。

• 优选元器件型号与选择原因: EE型、EI型或PQ型铁氧体磁芯。品牌如TDK、Ferroxcube等。磁芯材料通常选用PC40、PC44等高频低损耗材料。变压器的设计是反激电源的关键，需要根据输入电压范围、输出电压、输出功率、开关频率、最大占空比等参数进行精确计算。

• 选择原因: 变压器的设计直接关系到电源的效率、温升、EMI性能和输出稳定性。选择合适的磁芯型号和材料，并通过精细的绕组设计，可以优化变压器的性能，减少损耗，提高效率。例如，EE19、EE25、EE28等型号常用于中小功率反激电源。

• 主开关管 (Power MOSFET):

• 耐压 (Vds): 必须大于直流母线电压峰值与反射电压之和，并留有安全裕量（通常是直流母线电压的2倍以上）。例如，310V直流母线，反射电压约为100V，则MOSFET耐压应选择600V或650V。

• 导通电阻 (Rds(on)): 越低越好，直接影响导通损耗，降低发热。

• 栅极电荷 (Qg): 越低越好，影响开关损耗和驱动电路的负担。

• 峰值电流 (Id): 必须能承受最大峰值电流。

• 作用: 在UC3845的驱动下，周期性地导通和关断，控制变压器原边电流的通断，实现能量的储存和释放。

• 优选元器件型号与选择原因: 高压、低导通电阻 (Rds(on))、低栅极电荷 (Qg) 的功率MOSFET。品牌如Infineon (英飞凌)、ON Semiconductor (安森美)、STMicroelectronics (意法半导体)。

• 选择原因: 合适的MOSFET可以显著提高电源效率，降低温升。例如，对于220Vac输入，100W输出，可以选择600V/10A左右的MOSFET，如IPP60R190C6 (英飞凌)或FCP11N60 (安森美)。

• MOSFET驱动电阻 (Gate Resistor):

• 作用: 连接UC3845的GATE引脚和MOSFET的栅极。串联的电阻主要用于限制栅极充电/放电电流，抑制高频振荡，并调节开关管的开关速度。

• 优选元器件型号与选择原因: 通常选择碳膜电阻或金属膜电阻，阻值在10Ω到几十Ω之间，功率根据实际损耗确定。选择原因是为了兼顾开关速度和EMI。阻值过小会导致尖峰干扰和开关损耗增加，阻值过大会降低开关速度，增加导通损耗。例如，1/4W 22Ω或33Ω。

• RCD吸收电路/钳位电路 (RCD Snubber/Clamp Circuit):

• 二极管D: 快速恢复二极管或超快恢复二极管。如MUR460 (ON Semiconductor) 或 BYV26C (Vishay)，耐压应高于MOSFET的耐压。

• 电阻R: 无感电阻，如RCD或Vishay。功率需根据吸收的能量计算，通常为几瓦到十几瓦。

• 电容C: 高频陶瓷电容或CBB电容。耐压值和容量根据尖峰能量和允许的电压波动确定。

• 作用: 吸收MOSFET关断时变压器漏感产生的尖峰电压，保护MOSFET不被过压击穿，并抑制EMI。

• 优选元器件型号与选择原因: 由电阻R、电容C和二极管D组成。

• 选择原因: RCD钳位电路通过消耗漏感能量来保护开关管，其参数需要仔细调试，以在保护效果和损耗之间取得平衡。

3.3 输出侧元器件

• 输出整流二极管 (Output Rectifier Diode):

• 肖特基二极管 (Schottky Diode): 适用于低压、大电流输出，如5V、12V。具有极低的正向压降和超快的反向恢复时间，能显著降低整流损耗，提高效率。品牌如STMicroelectronics (如STPS2045CT)、Vishay (如MBR系列)。耐压应大于输出电压与反射电压之和，并留有裕量。例如，12V输出，反射电压约100V，则耐压选择45V或60V的肖特基二极管即可。

• 快恢复二极管 (Fast Recovery Diode) 或超快恢复二极管 (Ultrafast Recovery Diode): 适用于较高电压输出，如24V、48V。虽然正向压降略高于肖特基二极管，但耐压更高。品牌如ON Semiconductor (如MUR系列)、Vishay (如HER系列)。耐压同样需要大于输出电压与反射电压之和。

• 作用: 将变压器副边感应的交流电压整流为脉动直流，并实现单向导通。

• 优选元器件型号与选择原因:

• 选择原因: 正向压降越低，损耗越小；反向恢复时间越短，开关损耗越小，EMI越低。根据输出电压选择合适的类型，是提高效率的关键。

• 输出滤波电容 (Output Filter Capacitor):

• 作用: 对整流后的脉动直流电压进行滤波，降低输出纹波，并提供负载瞬态响应所需的能量。

• 优选元器件型号与选择原因: 低ESR、高纹波电流、长寿命的电解电容。品牌如Nichicon (尼吉康) 的低ESR系列 (如HE、PW系列)、Rubycon (红宝石)、Panasonic (松下)。

• 选择原因: 输出电容的容量和ESR是决定输出纹波和负载瞬态响应性能的关键。为了降低输出纹波，通常会采用多个并联的低ESR电容或选用ESR极低的固态电容。耐压选择应高于输出电压的1.5倍。

3.4 控制与反馈侧元器件

• 启动电阻 (Startup Resistor):

• 作用: 在电源启动初期，为UC3845的VCC引脚提供初始电流，使其达到欠压锁定阈值并开始工作。

• 优选元器件型号与选择原因: 高压电阻，阻值通常在几百KΩ到几MΩ。功率取决于其消耗的能量。通常选择1/4W或1/2W的金属膜电阻，如华新科 (Walsin) 或厚声 (Susumu)。

• 选择原因: 启动电阻的阻值决定了启动时间。阻值过大，启动时间长；阻值过小，则在正常工作时损耗过大。一般在VCC电压稳定后，UC3845会通过辅助绕组自供电，降低启动电阻的功耗。

• UC3845 VCC电容:

• 作用: 为UC3845提供稳定的工作电压，并作为能量缓冲，应对UC3845瞬时电流需求。

• 优选元器件型号与选择原因: 低ESR的电解电容或陶瓷电容，容量通常在10μF到47μF。如风华高科 (Fenghua) 或村田 (Murata)。耐压应高于UC3845的最大VCC电压（通常为30V）。

• 选择原因: 稳定的VCC电压对UC3845的正常工作至关重要，特别是启动和负载瞬变时。

• 采样电阻 (Current Sense Resistor):

• 作用: 连接在MOSFET的源极和地之间，用于将流过MOSFET的电流转换为电压信号，送至UC3845的电流采样引脚（PIN 3）。UC3845通过监测该电压实现逐周期电流限制和电流模式控制。

• 优选元器件型号与选择原因: 低感、高精度、低温度系数的功率电阻。品牌如Viking (维京)、Susumu (厚声)。阻值通常在0.1Ω到1Ω之间，功率根据最大峰值电流和阻值确定。

• 选择原因: 采样电阻的精度和稳定性直接影响电流限制的准确性。其阻值决定了最大峰值电流，需要根据变压器设计和最大输出功率来计算。例如，对于最大峰值电流为3A的电源，如果UC3845的电流采样阈值为1V，则采样电阻应选择0.33Ω (1V/3A)。

• 误差放大器补偿网络 (Error Amplifier Compensation Network):

• 作用: UC3845内置的误差放大器（PIN 1和PIN 2）与外部的RC网络构成反馈环路的补偿网络，用于稳定电压反馈环路，优化电源的动态响应和稳定性。

• 优选元器件型号与选择原因: 精密电阻和陶瓷电容。根据电源的环路增益、带宽和相位裕度进行设计。常见的补偿类型有Type II或Type III补偿。

• 选择原因: 适当的补偿网络可以确保电源在各种负载和输入电压变化下都能稳定输出，且具有良好的瞬态响应。

• 光耦 (Optocoupler):

• 作用: 提供初级和次级之间的电气隔离，同时将次级反馈信号传递到初级侧的UC3845误差放大器。

• 优选元器件型号与选择原因: 高CTR（电流传输比）、高绝缘耐压的光耦。品牌如Lite-On (光宝)、Vishay (如TLP系列，如TLP781)、On Semi (如SFH61X6系列)。

• 选择原因: 光耦的CTR值影响反馈信号的精度和带宽。CTR值越高，光耦两端的电压降越小，效率越高。隔离耐压需满足安规要求（如3750Vrms）。

• TL431精密基准电压源 (Precision Shunt Regulator):

• 作用: 在次级侧提供精确的基准电压和误差放大功能，与光耦配合，将输出电压的偏差信号反馈给初级侧。

• 优选元器件型号与选择原因: 德州仪器 (TI)、ON Semiconductor (安森美)、Diodes Inc. 等品牌的TL431系列。

• 选择原因: TL431提供了一个非常精确的2.5V基准电压，其输出电压可通过外部电阻分压网络进行精确设置。其集成误差放大器，简化了反馈电路设计。

• TL431反馈电阻分压网络:

• 作用: 将输出电压进行分压，与TL431的基准电压进行比较，产生误差信号。

• 优选元器件型号与选择原因: 高精度、低温度系数的金属膜电阻。品牌如厚声 (Susumu)、国巨 (Yageo)。阻值根据输出电压和TL431的2.5V基准电压进行计算，以满足所需的输出电压精度。

• 选择原因: 确保输出电压的精度和稳定性。

3.5 保护电路元器件

• 过压保护 (OVP) 电路:

• 作用: 当输出电压超过设定值时，触发保护机制，关断电源。

• 优选元器件型号与选择原因: 可以通过稳压二极管、可控硅 (SCR) 或专用OVP IC实现。例如，在次级侧使用一个稳压二极管与TL431或光耦配合，当输出电压过高时，稳压二极管导通，拉低TL431或光耦反馈端的电压，使UC3845停止工作。

• 选择原因: 提高电源的安全性，防止输出过压损坏负载。

• 过流保护 (OCP) / 短路保护 (SCP) 电路:

• 作用: 当输出电流超过设定值或发生短路时，限制输出电流或关断电源。

• 优选元器件型号与选择原因: UC3845内置的电流模式控制本身就提供了逐周期电流限制，但为了应对持续的短路，通常还会结合输出端的限流电阻或专用限流IC。

• 选择原因: 防止电源或负载因过流而损坏，提高系统的可靠性。

• 欠压保护 (UVP) 电路:

• 作用: 当输入电压过低或输出电压低于设定值时，关断电源。

• 优选元器件型号与选择原因: UC3845自身具备欠压锁定（UVLO）功能。对于输出欠压保护，可以通过比较器或专用IC实现。

• 选择原因: 保护电源和负载，避免在异常电压下工作。

4. 设计考量与调试要点

在基于UC3845的反激式开关电源设计中，除了以上元器件的选择，还需要关注以下几个重要的设计考量和调试要点：

• 变压器设计: 这是反激电源设计的核心和难点。需要精确计算匝数比、原边电感、气隙大小，并考虑漏感和分布电容的影响。良好的变压器设计是高效率、低EMI和稳定输出的基础。

• 环路补偿: 反馈环路的稳定性至关重要。通过伯德图 (Bode Plot) 分析环路增益和相位裕度，优化误差放大器补偿网络（R-C网络），确保足够的相位裕度（通常大于45度）和合适的带宽，避免振荡。

• PCB布局: 良好的PCB布局对降低EMI、提高效率和稳定性有决定性作用。

• 大电流环路面积最小化: 如输入侧的整流桥、大电容、变压器原边、MOSFET形成的环路，以及次级侧的变压器副边、整流二极管、输出电容形成的环路，应尽可能减小环路面积，以降低辐射EMI。

• 信号地和功率地分开: 避免大电流对小信号回路的干扰。

• 关键信号线走线短而粗: 如UC3845的GATE驱动线，电流采样线。

• 散热设计: 功率元器件（MOSFET、整流二极管、变压器）应有足够的散热面积或散热器。

• 电磁兼容性 (EMC) 优化: 除了EMI滤波器，还需要关注开关管的开关波形、二极管的反向恢复特性、缓冲电路、屏蔽等措施，以满足EMC标准。

• 安全认证: 对于商用电源产品，需要满足IEC60950（信息技术设备安全）、IEC62368（音视频、信息与通信技术设备安全）等安规标准，这涉及到爬电距离、电气间隙、绝缘等级、漏电流等方面的设计。

• 启动与轻载特性: UC3845在轻载时可能会进入跳周期模式，导致输出纹波增加。可以通过优化最小导通时间、使用准谐振控制或增加最小负载等方法来改善。

• 瞬态响应: 在负载突变时，输出电压的瞬态跌落或过冲，需要通过优化输出滤波电容和反馈环路来改善。

5. 总结

基于UC3845的反激式开关电源设计是一个系统工程，涉及电路理论、磁学、热学、EMC等多个领域的知识。UC3845作为一款成熟稳定的PWM控制器，为反激电源提供了坚实的基础。通过精心选择高品质的元器件，并进行严谨的电路设计、变压器设计、PCB布局和环路调试，可以实现高性能、高效率、高可靠性的反激式开关电源。虽然本文无法达到8000-15000字的长度，但已力求覆盖反激电源设计的核心要素和关键元器件选择的详细考量，希望能够为您提供深入的指导和参考。