RFID阅读器的反激式电源模块电路设计

近年来，随着高集成芯片的发展，开关电源技术向微型化、高频化、高效化方向发展。高度集成的控制芯片使得所需的外围组件变得简单，因为根据设计软件设计开关电源相对容易。然而，高集成度的问题导致设计自由度低、芯片可用性低、价格低。各厂商开发的设计软件只能模拟某些类型的奇特芯片。在实际应用中，设计一款符合产品需求且运行条件良好的开关电源至关重要。根据RFID电源模块的需求，设计了一种开关电源，电压从220VAC到0.5VDC，尺寸为88mm x 70mm。由于在读取标签过程中运行电流接近1.5A，因此设计开关电源的最大输出电流设定为3A。

在输出功率相对较低的微型设计中，根据 Erickson R W 理论，0.385 的反激式开关电源的功率开关可用性大于使用正常冲击、全桥和半桥类型的 0.353。因此，采用了反激式转换器结构。综合考虑反馈设计和电流模式控制器的优点，选择了电流模式PWM控制芯片UC3842。

在应用芯片UC3842的开关电源中，外围电路设计相对容易。电流模式PWM控制芯片结构消除了回路中电感带来的双极点，有效简化了反馈回路的设计。输出端反馈方式采用稳压管TL431和光耦组成。在基于UC3842的设计中，设计人员倾向于独立设计反激结构中的各个模块，强调相邻电路和反馈电路的设计，而忽略其他电路设计。例如，根据米德尔布鲁克博士的额外元素定理，输入滤波器的输入阻抗必须远小于转换器的输入阻抗。否则，电路可能会发生波动。本设计仔细讨论了输入滤波器电路设计、斜率补偿和接地电路设计等相邻电路设计。通过Saber仿真确定设计方案，通过RFID调试确定其与需求的兼容性和稳定性。

反激式开关电源的基本原理

开关电源的基本设计原理是将VAC转换为VDC给IC芯片供电，将DC转换为HFAC，再转换为直流输出。反馈稳定来自输出直流采样和输入 IC 控制开关的输出电压。开关电源原理如图1所示。

电流模式双闭环结构应用于反激式开关电源控制变换器。反激变换器的特点在于，在开关管闭合状态下，变压器一侧线圈内的电感能量通过整流二极管为载流子提供能量，而在开关管打开状态下，能量储存在内部变压器线圈和输出由存储在输出电容器内的能量提供。反激变换器原理图如图2所示。

当输出检测电阻R1和R2检测到的电压小于参考电压Vref时，误差通过误差放大器上升，开关管Q1开路。变压器初级电感和电流以 (Vg - Von)/Lm 的斜率上升。采样电阻 Rs 将初级电感和电流变为采样电压。通过比较采样电阻Rs上的采样电压和误差电压，当采样电阻Rs上的电压上升到高于误差电压的值时，输出低电平，开关管关闭，直到下一个时钟到来.反激式开关电源不需要输出功率电感，变压器电感可直接用于拓扑结构简单的电源。控制电路主要依靠电流模式PWM芯片UC3842及外围电路。

电流模式PWM芯片UC3842

本设计采用的控制CPU为固定频率电流模式的PWM芯片UC3842，集成了振荡器、误差放大器、PWM比较器、SR触发器等关键控制元件。该芯片具有欠压和过流保护功能，输出方式为图腾柱，工作频率500kHz，启动电流小于1mA，最大输出电流1A。

引脚的功能彼此不同。引脚 7 用于供电。当电压大于 16V 的慢启动阈值时，施密特触发器输出高电平。稳压器为引脚 8 提供 5V 的参考电压，当电压低于 10V 时，施密特触发器输出低电平并锁定欠压。内部稳压管将最大输入电压限制在36V以内。电源由引脚 4 通过外部 RC 电路和引脚 8 通过电阻器 Rt 提供给 Ct，Ct 通过内部电流源确定振荡器的频率发电。引脚 2 是误差放大器的反相输入，而引脚 1 是误差放大器的输出以提供补偿。 3脚为电流检测脚，通过误差放大器的输出决定占空比，当3脚电压大于1V时，电流关闭。 6脚提供图腾柱模式输出，最大工作电流1A，加速开关管的闭合。

反激式开关电源控制设计

控制部分示意图如下图3所示。反激变换器的控制部分大多集成在芯片UC3842内部，只需少量外部元件即可实现所需的控制功能。主要控制功能模块包括启动电路、频率设计、保护电路、驱动电路和斜率补偿。

• 启动电路和频率设计

启动电路提供16V以上的7脚启动电压。系统启动时，由辅助绕组向引脚 7 供电。本系统的工作频率由8脚和4脚之间的定时电容和电阻决定。8脚的5V参考电压通过电阻R9给电容C15供电。电容C15再通过内部电流源产生锯齿波，其时间跨度决定了芯片输出PWM的死区时间。为保证性能，死区时间应小于振荡周期的 5%。根据时序图可知，C15为3.3nF，工作频率为47kHz。根据公式fosc =1.7/(Rref x C15)，R9的值为11kHz。

• 电流折返电路

芯片的电流折返电路将初级边沿的电感电流通过过流检测电阻转换为PWM比较器实现的电压和误差放大器的输出电压。当 3 脚电压超过 1V 时，输出击穿。峰值电感电流假定为 1A，电流检测电阻 R13 的值假定为 1Ω。为防止变压器初级边沿电感电流峰值导致误关断，接入R11和C14滤峰，峰值电流约为数百纳秒。假设R11为1k，C14为500pF，时间常数τ=RC=500ns。

• MOS管驱动电路

MOS管的驱动电路负责PWM的优良波形，尤其是下降沿。输出管脚6与栅极串联电阻R6的串联将减小MOS管输入电容和电路中任何串联引线电感引起的高频寄生波动。为了保证MOS管开关PWM波形，R6的值在几十到二十欧范围内总是很小。 R8的阻值为15kΩ，作为MOS管栅泄压电阻。

• 斜率补偿

在峰值电流模式控制中，电感电流的峰值是恒定的，而电感电流的平均值不是。占空比的变化会改变平均电流，峰值电流控制的内环保证了电感电流的峰值，但无法控制与输出电压兼容的正确电感电流平均值，导致输出电压不断变化。当占空比大于 50% 时，电感电流波动会产生振荡。在本设计中，需要进行斜率补偿。上斜率补偿的应用是指电流采样信号上的正斜率电压叠加。本设计采用电容补偿，在引脚 3 和引脚 4 之间增加一个 100pF 的 C51，振荡器的振荡信号通过电容为 C51 和引脚 3 供电。采用这种斜率补偿，电容相对较小，等级为pF，避免吸引振荡器电流，在pin 3上产生过大的负电压。

反激式开关电源外围电路设计

• EMI和整流滤波器电路设计

为了滤除高频电网对设备的干扰和高频开关对电网的影响，EMI滤波电路应按输入等级接入。常见的EMI滤波电路图如图4所示。

C1接在电网输入端，C2接在设备输入端，以消除差模干扰。 L与共模扼流圈同向，滤除共模干扰，C16、C17接地，滤除共模干扰。

C16、C17的漏电流按公式计算： 。对于两个相同的电容器，漏电流的幅值应符合公式： 其中f为电网频率，取值为50Hz，C为整体电容4400pF 对地，V 是指 110V 的地电压。因此，Ileak 的值为 0.15mA，与 EMI 兼容安全标准后有效值为 220VAC 的交流电兼容。幅度为 而输出 DCV 是 。二极管的反向击穿电压应满足以下要求： 。 C 是指滤波电容，而 RL 是指负载。时间常数RLC越大，电容越平滑，滤波效果越好。选用耐压高的二极管ln4007。

• 滤波器输出阻抗和转换器输入阻抗带来的振荡

转换器的输入阻抗和滤波器的输出阻抗不兼容也可能导致振荡。环路系统转换器的输入阻抗可视为一个负电阻（ ）。滤波器为LC滤波器，传递函数可由电感和电容的ESR求得。

系统恒定振荡变换器的输入阻抗应符合公式： 。

因此，只有当环路转换器的输入阻抗小于计算出的滤波器振荡输出阻抗时，传递函数的阻尼系数才会为正值，才会趋于稳定以减少振荡。否则电路会出现波动。

• 缓冲电路设计

为了防止频率管因关断过电压而损坏，必须在变压器上安装初级边沿RCD缓冲电路。输出端口对输出二极管进行击穿，防止硬击穿，增加输出缓冲电路，如图5所示。

在MOS管击穿过程中，原边电流id通过变压器原边漏源给寄生漏源电容供电。该高频电压可能使开关管上的电压超过耐压而击穿开关管，因此增加了RCD缓冲电路以提供电压分接通路。采用高耐压快恢复二极管FR107，RCD电阻5kΩ，电容3300pF。

当输入开路且MOS管开路时，输出肖特基二极管上加的电压（ ) MOS管硬击穿导致二极管击穿。添加 RC 缓冲电路后，肖特基二极管 VD =VO + IO x R3 上的电压。 MOS管2SK792的开启时间为55ns，肖特基二极管SB540的反向耐压为60V，输出VO为5V，最大电流为3A。因此，最大缓冲电路的等效电阻为 18.33Ω，并且 ( ）。当R为18Ω，C为560pF时，等效串联电阻为18.06Ω。

• 输出电路设计

输出部分通过肖特基二极管进行整流，滤波采用低ESR电容，等效电容ESR降低输出，如图6所示。

输出采样电路通过R5和R12差分电压得到，R12的值以TL431输出端电流1.5μA为参考确定。为避免电流影响差压比和噪声，通过电阻R12的电流应大于TL431输入电流的100倍。 Rlow<2.5/150μA=16.6kΩ。由于TL431的工作电流在1mA～100mA范围内，当R5的电流接近0时，由R14提供1mA的电流给TL431（R14

根据PC817B中三极管的特性曲线，当三极管的正向电流约为7mA时，IC的值也为7mA，发射极电压与uc3842comp在较宽的范畴内呈线性关系。 PC817B 中的 CTR 在 1.3 到 2.6 的范围内。当 IC 值为 7mA 时，考虑最坏情况，CTR 值为 1.3。要求流过 LED 的最大电流为 If =IC/1.3 =5.38mA，R4<(5 - Uka - Uf)/5.38mA =(5 - 1.15 - 2.5)/5.38mA =250Ω。 TL431 可承受的最大电流为 150mA，而 PC817 可承受的最大电流为 50mA。因此，R4 提供的最大电流为 50mA，其中 R4>(5 - 1.15 - 2.5)/50mA =27Ω。所以R4的范围在27Ω和250Ω之间，取值为150Ω。

• 接地电路设计

变压器用于开关电源冷热地之间的接地隔离。变压器初级边缘的热地可以通过电网形成回路，次级变压器是指冷地和地形成的回路。安规电容 Y 由 C16 和 C17 拾取，将零线和火线连接到机架地，以滤除共模干扰。热地和冷地之间的电容C18将变压器次级侧的噪声转化为初级短路，以减少辐射电磁波。

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