基于UC3842的多路輸出型開關(guān)電源設(shè)計(jì)|壹芯微

電源作為各種裝置和設(shè)備的動(dòng)力，是電子設(shè)備的重要部分。常用的是線性穩(wěn)壓電源，而這種單一的固定電源模式，隨著電子技術(shù)的發(fā)展已無法滿足需求。通常所說的線性穩(wěn)壓電源，是一種直流穩(wěn)壓電源，該穩(wěn)壓電源是最初被廣泛使用的。但該種電源仍存在著一定的問題，例如：體積大、工作效率低、操作繁瑣以及自保護(hù)性能差等，因此需設(shè)計(jì)出一種能符合現(xiàn)代化需求的電源。本文所設(shè)計(jì)開發(fā)的基于UC3842的多路輸出型開關(guān)電源效率較高，其開關(guān)電源采用控制集成電路和高頻變壓器的核心器件。具有輸出穩(wěn)定、誤差小、自我修復(fù)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1.UC3842的功能分析

UC3842是一種可固定頻率且可高效控制電流的芯片，該芯片可為電源設(shè)計(jì)者提供在盡可能少的外部原件需求下，仍可滿足高效益的設(shè)計(jì)和解決方案。其具有較強(qiáng)的保護(hù)特性，這些對(duì)應(yīng)的電路中振蕩器可進(jìn)行微調(diào)，能對(duì)真空比做出準(zhǔn)確控制，且對(duì)溫補(bǔ)進(jìn)行參考，誤差運(yùn)算放大器也具有較高的增益，驅(qū)動(dòng)功率MOSFE的理想器件是比較器以及大電流的柱式輸出，其保護(hù)特性還可進(jìn)行輸出和輸入的壓力鎖定，對(duì)電流大小的限制、對(duì)編程時(shí)的輸出時(shí)間以及脈沖多個(gè)或一個(gè)的測量鎖定。

UC3842主要是一種電流型的控制器，其具有較多優(yōu)點(diǎn)：如引腳少、電路設(shè)計(jì)簡單明了、性能穩(wěn)定且性價(jià)比高等。其頻率穩(wěn)定度也較好，具有較低的電壓調(diào)整率;此外對(duì)輸入端進(jìn)行過壓保護(hù)，另具有電流保護(hù)，在電壓不足時(shí)進(jìn)行電壓鎖定等功能。UC3842的引腳圖如圖1所示，其工作原理為：Vcc芯片的工作電壓端，接入+16V電壓對(duì)裝置進(jìn)行啟動(dòng)，引腳6是調(diào)制脈寬信號(hào)的輸出端，Vref將內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行引出，補(bǔ)償端接外部阻容元件，并對(duì)控制環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償;引腳5為公共地，輸出電壓在被電阻分壓器分壓并獲得反饋電壓后，直接接入到反饋端;Rs為外部的電流檢測電阻，電流進(jìn)行取樣后直接接入Rs，在開關(guān)管的電路中Rs起到的是串聯(lián)作用;RT/CT分別為外接定時(shí)電阻和電容的公共端。

圖1UC3842引腳圖

2.總體設(shè)計(jì)

該開關(guān)電源的總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。開關(guān)電源的主要電路由前置濾波電路、輸入整流電路、濾波電路、功率變換電路、高頻變壓器、PWM控制器電路以及輸出整流濾波電路等組成。開關(guān)電源的輔助電路由輸入輸出過欠壓保護(hù)電路、濾波電路、功率變換電路和高頻變壓器輸出短路保護(hù)電路組成。而交流/直流轉(zhuǎn)換電路的作用是對(duì)電路進(jìn)行整流濾波。而直流/交流轉(zhuǎn)換器則是開關(guān)電源組成中最為重要的一部分，其分為較多的基礎(chǔ)類型，例如，綜合式、Push式、前進(jìn)式、后退式、全部式和半部式的轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)中輸出電壓是否穩(wěn)定也是開關(guān)良好與否的重要指標(biāo)。而電源中電壓穩(wěn)定則是靠控制器來保持的，其工作過程和線性控制器相比，有諸多相同之處，所以控制器可將功能模塊、電壓處理模塊和誤差分析與放大模塊的設(shè)計(jì)均參考線性調(diào)節(jié)器的方式來進(jìn)行處理，而只需注意其唯一不同之處，就是要將一個(gè)電壓/脈沖寬度轉(zhuǎn)換單元放到誤差放大器的輸出功率管之前。

圖2開關(guān)電源組成圖

3.開關(guān)電源系統(tǒng)及各模塊設(shè)計(jì)

開關(guān)電源設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括EMI濾波電路、整流濾波電路、箝位電路、吸收回路、控制電路、輸出整流濾波電路和反饋電路。另外，還有高頻變壓器與開關(guān)器件MOSFET。本文設(shè)計(jì)的開關(guān)電源運(yùn)行過程為，輸入交流電壓V首先通過系統(tǒng)最前端的保護(hù)電路后，再進(jìn)行濾波。這是因需要減少系統(tǒng)中自身對(duì)電網(wǎng)的干擾，同時(shí)也對(duì)電網(wǎng)內(nèi)部的干擾進(jìn)行控制，所以需通過EMI濾波，將交流電壓自動(dòng)轉(zhuǎn)化為直流電壓，原因是為了使其可通過高頻的變壓器，并在此可改變電壓的大小，還可將電壓輸入到整流濾波電路中繼而得到所需的輸出電壓。在得到輸出電壓的過程中，會(huì)有大量的能量存儲(chǔ)在一次側(cè)中，為了對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)，需要加入一個(gè)箝位電路來保障整個(gè)電路正常運(yùn)行。當(dāng)確保正常工作后，需注意效率問題，故為提高電路的運(yùn)行效率，還加入了一個(gè)吸收回路，其作用是針對(duì)在開關(guān)管開關(guān)過程中所造成的損耗，將其損耗將至最低。而在電路運(yùn)行的過程中，還可能會(huì)出現(xiàn)由于波動(dòng)等問題導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)定的情況，所以在電路輸出端加入一個(gè)反饋回路，其自動(dòng)將輸出電壓進(jìn)行分析并與標(biāo)準(zhǔn)電壓比較，然后通過分析控制PWM的占空比，對(duì)開關(guān)管的開與關(guān)進(jìn)行控制，繼而保證電壓可平穩(wěn)的輸出。

圖3系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

EMI濾波電路是整個(gè)電路中較為重要的一環(huán)，該濾波電路共有5個(gè)端口，分別為兩個(gè)輸入、輸出端口以及一個(gè)接地端口，其中接地端口的外殼在電路運(yùn)行時(shí)要與地接通。電路中包括共模扼流圈L、濾波電容C1～C4，雖然共模電感對(duì)差模信號(hào)沒有作用，但其可較好地抑制共模干擾。耦合后的共模電感可增加電感量，這是因其磁通方向一致，繼而共模電感會(huì)產(chǎn)生較大的感抗，對(duì)通過的共模信號(hào)進(jìn)行截?cái)嘧饔谩６罅魅沙惺艿碾姼辛看笮∈窍到y(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵，為使其可承受更大的電流，本文可增加共模圈的半徑，尤其是當(dāng)流過的電流較大時(shí)，其另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)則是可大幅增強(qiáng)低頻衰減的特性。共模濾波器的作用是將線路與外部條件所產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行過濾，工作原理是濾波器中“變壓器”的繞組同相，但流過變壓器的電流則與繞組方向相反。因此，相反方向上的兩個(gè)電流在濾波器產(chǎn)生的交流磁感可相互消除。

高頻變壓器是設(shè)計(jì)的核心，在此輸出型開關(guān)電源中額外拓展的結(jié)構(gòu)較多，以半橋式功率轉(zhuǎn)換電路為例，在運(yùn)行時(shí)開關(guān)管進(jìn)行相互的導(dǎo)通直到會(huì)生成頻率較高的脈沖波，再經(jīng)過高頻變壓器對(duì)電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最后會(huì)將不同的交流電壓輸出，而最終輸出電壓值的大小由變壓器中線圈的比例來決定。半橋式變壓電路是由3只高頻變壓器組成，這3只變壓器每一種的衡量標(biāo)準(zhǔn)均各不相同，這體現(xiàn)在磁芯直徑的要求上，磁芯直徑≥30mm的情況是主變壓器的功率在300W以上時(shí);但若直徑15mm則將是功率低于300W時(shí)。變壓器的原理較為簡單，其是一種變換電壓、電流以及阻抗的工作器件，在初級(jí)的線圈中有交流的電流通過時(shí)，在磁芯(鐵芯)中會(huì)產(chǎn)生交流磁通，可使次級(jí)的線圈感應(yīng)到電壓或電流;而變壓器是由線圈和磁芯組成，線圈有兩個(gè)繞組，其中與電源相接的一個(gè)繞組稱為初級(jí)線圈，其余繞組則稱為次級(jí)線圈。其在系統(tǒng)中之所以重要，是因?yàn)楸恢饕褂迷诟哳l率的開關(guān)電源上作為這一電源的變壓器;此外，功率器件的選擇也較為關(guān)鍵，通常若功率較大時(shí)，器件選擇IGBT，但因IGBT可能會(huì)發(fā)生關(guān)斷電流的滯留問題，繼而導(dǎo)致影響其的工作頻率。因此，若傳送的功率較小時(shí)，可采用MOSFET，此時(shí)其的工作頻率相比之前將有明顯提升。

4.仿真分析

文中使用Saber軟件，對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，并對(duì)電路分別進(jìn)行DC、AC、數(shù)據(jù)、誤差等分析。通過仿真，可在軟件上直觀有效地觀察到系統(tǒng)中各個(gè)模塊的測試數(shù)據(jù)，為使用者提供了更為有效地參考，也為電路的改進(jìn)起到了關(guān)鍵作用。影響輸出電壓穩(wěn)定性最主要的原因就是電源中開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)及時(shí)間，為保證穩(wěn)定性在仿真過程中，使導(dǎo)通的過程保持順利，并將誤差降到最小，必須加強(qiáng)對(duì)芯片輸出電壓的控制。圖4為所設(shè)計(jì)電路的占空比，將輸出電壓設(shè)置為約15V，并將此輸出電壓作為驅(qū)動(dòng)電壓，從而得到占空比約為0.43。從中可看到，矩形波最上端的細(xì)小凹凸表示芯片輸出端峰值電流的電阻大小有待調(diào)整。此電路的主要輸出為偏置電路，其不僅為主控制芯片提供電壓，保證電路正常運(yùn)行，還連接回路中的分壓電阻，確保電路可穩(wěn)定的進(jìn)行工作。通過觀察可發(fā)現(xiàn)，偏置電路輸出的電壓波形，可約在1.5ms時(shí)達(dá)到預(yù)算效果，同時(shí)可使其始終處于約16.997V這一穩(wěn)定狀態(tài)。最終，將結(jié)果同之前的電壓進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，誤差0.3%。

圖4測試界面圖

總結(jié)

文中總結(jié)了基于UC3842的多路輸出型開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案，從而實(shí)現(xiàn)了±5V、±12V的多路電壓輸出。有以下總結(jié)點(diǎn)：(1)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)分析，將系統(tǒng)中各個(gè)器件的數(shù)據(jù)均做出了運(yùn)算。(2)對(duì)電源的設(shè)計(jì)指標(biāo)及整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定，依據(jù)要求的基本原則對(duì)整體框架做出設(shè)計(jì)后，并對(duì)每個(gè)模塊也進(jìn)行了相應(yīng)設(shè)計(jì)，其中包括EMI濾波電路、整流濾波電路、控制電路以及高頻變壓器設(shè)計(jì)等。(3)針對(duì)每個(gè)模塊的應(yīng)用要求、工作原理和所能達(dá)到的效果等進(jìn)行了分析與計(jì)算，并與之前相關(guān)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行比較，選擇出了最適當(dāng)?shù)钠骷玫搅俗罱K的設(shè)計(jì)原理圖。(4)利用Saber軟件進(jìn)行仿真，對(duì)電路的各個(gè)運(yùn)行過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過計(jì)算與分析電路產(chǎn)生的波形與參數(shù)得到的結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，此開關(guān)電源各路輸出穩(wěn)定，誤差1%(±12V)、2%(±5V);且工作效率也得到了大幅提升，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

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