15W三路輸出DCDC模塊電源設(shè)計

1、15W 三路輸出 DCDC 模塊電源設(shè)計15W 三路輸出 DC/DC 模塊電源設(shè)計摘要本文介紹了一種 UC3843 控制的小功率多路 DC/DC 模 塊電源的詳細設(shè)計過程，重點討論了多路輸出模塊電源設(shè)計 與單路輸出的不同，詳細介紹了 DC/DC 模塊電源中常用的 新型芯片 UC3843 的外圍電路參數(shù)的設(shè)計， 給出了多路輸出 模塊電源中變壓器和耦合電感的設(shè)計過程及滿足各項性能 指標(biāo)應(yīng)注意的各種問題。關(guān)鍵詞： DC/DC 變換器；多路輸出； UC3843; 耦合電感 引言DC/DC 模塊已被廣泛應(yīng)用于鐵路通信、 微波通訊、 工業(yè) 控制、船舶電子、航空電子、 地面雷達、消防設(shè)備和醫(yī)療 器械教學(xué)設(shè)備

2、等諸多領(lǐng)域，其中有許多應(yīng)用場合需要多路輸 出，如在單片機智能控制器中，單片機供電需要5V ，而運放通常需要 12V 。在設(shè)計多路輸出時，有許多地方和單路輸 出不同，既要考慮變壓器管腳限制、多副邊變壓器設(shè)計、各 路的穩(wěn)壓電路實現(xiàn)，又要考慮每路輕載及滿載的負載調(diào)整率， 以及負載的交叉調(diào)節(jié)特性等。本文將通過一個給單片機智能 控制器供電的 15W 三路模塊電源的設(shè)計實例來詳細說明多圖1路輸出模塊電源的設(shè)計。 多路輸出開關(guān)電源原理圖 模塊電源的工作原理本文針對單片機主板供電電源所設(shè)計的多路輸出開關(guān) 電源如圖 1 所示，其中電感 L201、 L202 、L203 是耦合電 感， L204 是偏置繞組，由于

3、變壓器管腳限制，取自耦合電 感。電源工作原理如下：電路采用單端正激變換電路，當(dāng)變 換器接通電源時， 輸入直流電壓經(jīng)由電阻、 12V 穩(wěn)壓管 D601 和三極管 Q601 、 Q602 組成的電路穩(wěn)壓降壓后 , 啟動 UC3843 進入正常工作，偏置繞組 L204 的供電電路開始工 作，輸出經(jīng) A4 和 C601 整流及濾波后輸出 12V 電壓，高于 自供電電壓，使二極管 A4 反偏，啟動電路停止工作。變換 器進入正常工作后，電源依據(jù) PWM 脈寬調(diào)制方式工作，次 級繞組的輸出經(jīng)過二極管整流以及電容器和電感器組成的 LC 型濾波器濾波后，產(chǎn)生所需的各路輸出直流電壓。 +5V 的輸出電壓由電阻器

4、R402 和 R406 分壓后，與可編程穩(wěn)壓 源 TL431(U3) 中的 2.5V 參考電壓比較，然后通過光耦合器 U2 反饋到 UC3843 的 2 腳，控制脈沖的占空比，穩(wěn)定 5V 輸出。耦合電感 L202 和 L203 實現(xiàn) +/-12V 兩路穩(wěn)壓。過流 保護電阻 R101 、R102 檢測到開關(guān)管的過流信號， 送入 3843 的 3 腳，封鎖 UC3843 的輸出信號，實現(xiàn)過流保護。設(shè)計方案選擇DC/DC 模塊電源以中小功率為主 ,功率大都在 150W 之 下,采用的電路拓撲以反激和正激電路為主,有時也采用推挽電路 ,電源要求體積小， 設(shè)計時全部采用貼片元件。 本模塊的 主控芯片采用

5、 UC3843 。對于多路輸出，如果每路輸出電壓精度要求高，則每路 都應(yīng)設(shè)計自己獨立的閉環(huán)穩(wěn)壓回路。如果只有一路是重要的 負載，其他路負載較輕，并對于輸出電壓精度要求不是很嚴(yán) 格，則只需給重要負載所在回路加反饋控制回路。本模塊的 三路輸出中，由于 5V 輸出是比較重要的負載，輸出電流最 大(2A),12V是運算放大器供電電源，允許電壓在12V范圍 變化 ,電流較小 (0.25A) ，所以只在 5V 主路所在回路加穩(wěn)壓電 路，+/-12V附路的穩(wěn)壓性能靠耦合電感實現(xiàn)。單路輸出時，濾波電感采用獨立電感，但對多路輸出， 輸出濾波電感不能采用獨立電感，而采用耦合電感，將三路 的輸出濾波電感共同繞在一個

6、磁芯上。這是由于只有 5V 主 路受控，使得 5V 輸出電壓輸出特性較好，而 +/-12V 兩路較 差，如果用獨立電感，會產(chǎn)生以下問題：首先是交叉調(diào)節(jié)問 題，即主路或附路的負載變動應(yīng)起附路的附路的輸出電壓波 動的問題；其次各路輸出有自己的濾波器，諧振點不同，變 換器只一路受控，由于諧振頻率點的高阻抗特性，引起閉環(huán) 環(huán)路增益下降和相移，對電流型控制回路影響特別嚴(yán)重。采 用耦合電感 ,可降低制造成本 ,減小電源體積，滿足體積要求。UC3843 外圍電路設(shè)計 開關(guān)頻率選擇本電源設(shè)置開關(guān)頻率為 250kHz ，UC3843 工作頻率可 達 500kHz ， 4 腳是 RT/CT 鋸齒波振蕩器的定時電阻

7、和電容 的公共端，對于 UC3843 ， kHz 。啟動電路設(shè)計直流電壓經(jīng)電阻、 12V 穩(wěn)壓管 D601 和三極管 Q601 、 Q602 組成的電路降壓穩(wěn)壓后，為 UC3843 提供啟動電壓。 啟動電壓高于 8.4V 時 UC3843 才能工作，如果啟動電壓低， 則可通過調(diào)整 R601 和 R602 的阻值來實現(xiàn) 9.6V 的啟動電壓。 過流保護電路設(shè)計R101 、R102 為過流檢測電阻，阻值較小，以降低電阻 上的損耗。檢測電壓送入 UC3843 的 3 腳，高于 1V 時，過 流保護電路工作，使 6 腳停止輸出矩形波，電路停止工作。 此外還可利用 UC3843 的 1 腳電壓低于兩個二

8、極管壓降時 UC3843 即關(guān)閉的特性給電源加上遙控端。 反饋誤差放大器設(shè)計R302 和 R303 構(gòu)成積分型調(diào)節(jié)器，兩者的比例關(guān)系影 響系統(tǒng)的動態(tài)特性。 改變它們的比值可以改變 UC3843 電壓 誤差放大器的放大倍數(shù)， 對于一定的反饋電壓量， 可使 PWM 調(diào)節(jié)器的輸出脈寬不同，從而影響輸出電壓調(diào)節(jié)幅度，即影 響指標(biāo)中輸出的動態(tài)響應(yīng)調(diào)節(jié)幅度。積分器的電容 C305 的 大小影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度，即影響指標(biāo)中輸出的動態(tài)響應(yīng)時 間。高頻變壓器的設(shè)計 高頻變壓器磁性材料選擇的標(biāo)準(zhǔn)為高飽和磁感應(yīng), 低剩磁。多路輸出變壓器一般要求有較大的窗口面積， DC/DC 模 塊電源可選用FEY型、FEE型、EU

9、I型等，對于正激電路， 理論上變壓器初級需有復(fù)位繞組 Nr ，這里考慮到變壓器腳位 的問題，選取高飽和磁感應(yīng)強度的磁材，而去掉復(fù)位繞組 , 這樣使每次磁性都在磁化曲線的下部工作,避免磁芯飽和?？紤]高溫時飽和磁感應(yīng)強度 Bs 會下降，同時為降低高 頻工作時的磁芯損耗，工作最大磁感應(yīng)在一般選擇為 20002500Gs 。這里選取高飽和磁感應(yīng)強度的磁材 RM2.2KD ，飽和磁感應(yīng)強度為 440mT 。根據(jù)廠家給出的磁芯材料手冊給出的輸出功率與磁芯 尺寸的關(guān)系。這里選用了 FEY15.3 磁芯，其有效截面積為 182mm2 。經(jīng)計算，繞組匝數(shù)如下：原邊 N1 為 16 匝， 5V 主路變 壓器的副邊

10、 N2 為4匝, +12V 附路變壓器的副邊 N3 為10 匝， -12V 附路變壓器的副邊 N4 為 10 匝。繞制時由于原邊、主路副邊電流較大，為減小漏感，分 別采用雙線并繞法，及三線并繞法。輸出耦合電感設(shè)計在采用一路受控，其余兩路依靠耦合電感穩(wěn)壓的控制方 式時，為了把輔助輸出電壓調(diào)節(jié)保持在 1V 的穩(wěn)定范圍內(nèi)， 多路輸出時，主輸出的電感及每路電感要求工作在電感連續(xù) 狀態(tài)。耦合電感的設(shè)計方法不同于單路輸出的電感,它的設(shè)計方法是先進行高壓支路到低壓支路的折算 , 根據(jù)總輸出電流 按單線圈選取磁芯，得到總導(dǎo)線截面積以及線圈導(dǎo)線尺寸、 匝數(shù)。最后再分配到各支路，根據(jù)各路實際電流和次級匝比 得到各

11、線圈匝數(shù)和尺寸。本模塊中電流連續(xù)模式電感磁芯采用與變壓器相同的 材料，仍為 FEY15.3 。電感匝數(shù)的選擇首先要滿足電感的匝數(shù)比等于主變壓 器的輸出繞組的匝數(shù)比，在各路用相應(yīng)的變壓器匝數(shù)乘以 2 或 3 倍來設(shè)計電感匝數(shù)。這里選變壓器匝數(shù)的 3 倍，正好可 以雙線并繞填滿窗口寬度。則 V01 路輸出電感匝數(shù) NL201 為12匝，V02路輸出電感匝數(shù) NL02為30匝，V03路輸出 電感匝數(shù) NL203 為 30 匝。偏置繞組 NL204 為 UC3843 提 供 12V 工作電壓， 由于它的輸出電壓等于 V02 ，所以其匝數(shù) 也為 30 匝。為了滿足負載調(diào)整率，互感必須很好耦合。所以在纏繞

12、 各個組時，應(yīng)當(dāng)使用相同線徑的幾條導(dǎo)線并排纏繞，并覆蓋整個骨架的寬度。其他注意事項(1) 在輸出需要隔離的情況下，應(yīng)提供一條可供漏級驅(qū) 動的位移電流從特定輸出流回電源初級的低抗回路。此低阻 抗回路通常是一個連接在輸出接地端到主要的次級接地端 上的電容 (由特定輸出需要的絕緣電壓確定適當(dāng)值)，此輸出接地端通過安全電容 Y 與初級接地端連接， 如圖 1 中的電容 C001 連接在隔離的交流 3.4V 輸出接地端與主要的電源輸出 端之間。如果沒有為隔離的輸出提供此低阻抗電容通道，由 變壓器繞組間電容傳送的共模位移電流將通過任何可供選 擇的路線返回其位于變壓器初級的源端，而通過交流輸入導(dǎo) 線傳輸?shù)奈灰?/p>

13、電流可能足以導(dǎo)致超過規(guī)定的傳輸調(diào)整指標(biāo)。 這種類型的電路是否需要附加電容依變壓器的繞組間電容 而決定，如果隔離輸出與初級間的電容足夠小，可以不用此 附加電容。 但是必須經(jīng)測試驗證此附加元件的必要性。 此外， 沒有此元件，開關(guān)管 DS 波形會發(fā)生振蕩。(2) 除了要注意滿載時輸出的調(diào)整率， 還要顧及輕載甚至 空載輸出的調(diào)整率。為了防止空載時輸出電壓太高而損壞輸 出整流管，必須給每路輸出均加上死負載，死負載值大小可 以用實驗方法確定， 本模塊中給主路加 430W ，附路加 1.5KW 死負載加得太大，會降低效率。另外主路和附路之間的死負 載要配合調(diào)整，以滿足附路的電壓范圍。(3) 輸出空載電壓可由 TL431 的分壓電阻確定，當(dāng)空載 輸出電壓低時，可減小 R406 ，保證 TL431 的 2.5V