電感設(shè)計實例

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2、;作者:陳俊粱  0 引言在實際應(yīng)用中經(jīng)常會涉及到升壓電路的設(shè)計,對于較大的功率輸出,如70W以上的DCDC升壓電路,由于專用升壓芯片內(nèi)部開關(guān)管的限制,難于做到大功率升壓變換,而且芯片的價格昂貴,在實際應(yīng)用時受到很大限制?？紤]到Boost升壓結(jié)構(gòu)外接開關(guān)管選擇余地很大,選擇合適的控制芯片,便可設(shè)計出大功率輸出的DCDC升壓電路。UC3S42是一種電流型脈寬調(diào)制電源芯片,價格低廉,廣泛應(yīng)用于電子信息設(shè)備的電源電路設(shè)計,常用作隔離回掃式開關(guān)電源的控制電路,根據(jù)UC3842的功能特點,結(jié)合Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),完全可設(shè)計成電流型控制的升壓DCDC電路,且外接元器件少,控制靈活,成本低,輸出功

3、率容易做到100W以上,具有其他專用芯片難以實現(xiàn)的功能。1 UC3842芯片的特點UC3842工作電壓為1630V,工作電流約15mA。芯片內(nèi)有一個頻率可設(shè)置的振蕩器;一個能夠源出和吸入大電流的圖騰式輸出結(jié)構(gòu),特別適用于MoSFET的驅(qū)動;一個固定溫度補償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓和高增益誤差放大器、電流傳感器;具有鎖存功能的邏輯電路和能提供逐個脈沖限流控制的PWM比較器,最大占空比可達100。另外,具有內(nèi)部保護功能,如滯后式欠壓鎖定、可控制的輸出死區(qū)時間等。由UC3842設(shè)計的DCDC升壓電路屬于電流型控制,電路中直接用誤差信號控制電感峰值電流,然后間接地控制PWM脈沖寬度。這種電流型控制電路的主要特點是：

4、1)輸入電壓的變化引起電感電流斜坡的變化,電感電流自動調(diào)整而不需要誤差放大器輸出變化,改善了瞬態(tài)電壓調(diào)整率;2)電流型控制檢測電感電流和開關(guān)電流,并在逐個脈沖的基礎(chǔ)上同誤差放大器的輸出比較,控制PWM脈寬,由于電感電流隨誤差信號的變化而變化,從而更容易設(shè)置控制環(huán)路,改善了線性調(diào)整率;3)簡化了限流電路,在保證電源工作可靠性的同時,電流限制使電感和開關(guān)管更有效地工作;4)電流型控制電路中需要對電感電流的斜坡進行補償,因為,平均電感電流大小是決定輸出大小的因素,在占空比不同的情況下,峰值電感電流的變化不能與平均電感電流變化相對應(yīng),特別是占空比,50的不穩(wěn)定性,存在難以校正的峰值電流與平均電流的誤差

5、,即使占空比<50,也可能發(fā)生高頻次諧波振蕩,因而需要斜坡補償,使峰值電感電流與平均電感電流變化相一致,但是,同步不失真的斜坡補償技術(shù)實現(xiàn)上有一定的難度。2 Boost電路結(jié)構(gòu)及特性分析2.1 由UC3842作為控制的Boost電路結(jié)構(gòu)由UC3842控制的Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及電路分別如圖1和圖2所示。圖2中輸入電壓Vi=1620V,既供給芯片,又供給升壓變換。開關(guān)管以UC3842設(shè)定的頻率周期開閉,使電感L儲存能量并釋放能量。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時,電感以V1L的速度充電,把能量儲存在L中。當(dāng)開關(guān)截止時,L產(chǎn)生反向感應(yīng)電壓,通過二極管D把儲存的電能以(Vo-Vi)L的速度釋放到輸出電容器C2中。

6、輸出電壓由傳遞的能量多少來控制,而傳遞能量的多少通過電感電流的峰值來控制。整個穩(wěn)壓過程由二個閉環(huán)來控制,即閉環(huán)1 輸出電壓通過取樣后反饋給誤差放大器,用于同放大器內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)電壓比較后產(chǎn)生誤差電壓,誤差放大器控制由于負(fù)載變化造成的輸出電壓的變化。閉環(huán)2 Rs為開關(guān)管源極到公共端間的電流檢測電阻,開關(guān)管導(dǎo)通期間流經(jīng)電感L的電流在Rs上產(chǎn)生的電壓送至PwM比較器同相輸入端,與誤差電壓進行比較后控制調(diào)制脈沖的脈寬,從而保持穩(wěn)定的輸出電壓。誤差信號實際控制著峰值電感電流。2.2 Boost升壓結(jié)構(gòu)特性分析Boost升壓電路,可以工作在電流斷續(xù)工作模式(DCM)和電流連續(xù)工作模式(CCM)。CCM

7、工作模式適合大功率輸出電路,考慮到負(fù)載達到lO以上時,電感電流需保持連續(xù)狀態(tài),因此,按CCM工作模式來進行特性分析。Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)升壓電路基本波形如圖3所示。ton時,開關(guān)管S為導(dǎo)通狀態(tài),二極管D處于截止?fàn)顟B(tài),流經(jīng)電感L和開關(guān)管的電流逐漸增大,電感L兩端的電壓為Vi,考慮到開關(guān)管S漏極對公共端的導(dǎo)通壓降Vs,即為Vi-Vs。ton時通過L的電流增加部分ILon滿足式(1)。式中：Vs為開關(guān)管導(dǎo)通時的壓降和電流取樣電阻Rs上的壓降之和,約0.60.9V。toff時,開關(guān)管S截止,二極管D處于導(dǎo)通狀態(tài),儲存在電感L中的能量提供給輸出,流經(jīng)電感L和二極管D的電流處于減少狀態(tài),設(shè)二極管D的正向電壓

8、為Vf,toff時,電感L兩端的電壓為Vo+Vf-Vi,電流的減少部分ILoff滿足式(2)。 式中：Vf為整流二極管正向壓降,快恢復(fù)二極管約0.8V,肖特基二極管約0.5V。在電路穩(wěn)定狀態(tài)下,即從電流連續(xù)后到最大輸出時,ILon=ILoFf,由式(1)和(2)可得 如果忽略電感損耗,電感輸入功率等于輸出功率,即 由式(4)和式(5)得電感器平均電流 同時由式(1)得電感器電流紋波 式中：f為開關(guān)頻率。為保證電流連續(xù),電感電流應(yīng)滿足 考慮到式(6)、式(7)和式(8),可得到滿足電流連續(xù)情況下的電感值為 另外,由Boost升

9、壓電路結(jié)構(gòu)可知,開關(guān)管電流峰值Is(max)=二極管電流峰值Id(max)=電感器電流峰值ILP, 3 樣機電路設(shè)計樣機的電路圖如圖2所示,是基于UC3842控制的升壓式DCDC變換器。電路的技術(shù)指標(biāo)為：輸入Vi=18V,輸出Vo=40V、Io=2A,頻率f49 kHz,輸出紋波噪聲1。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求,結(jié)合Boost電路結(jié)構(gòu)的定性分析,對圖2的樣機電路設(shè)計與關(guān)鍵參數(shù)的選擇進行具體的說明。3.1 儲能電感L根據(jù)輸入電壓和輸出電壓確定最大占空比。由式(4)得當(dāng)輸出最大負(fù)載時至少應(yīng)滿足電路工作在CCM模式下,即必須滿足式(9),同時考慮在10額定負(fù)載以上電流連續(xù)的情況,實際設(shè)計時可以假設(shè)

10、電路在額定輸出時,電感紋波電流為平均電流的2030,因增加IL可以減小電感L,但為不增加輸出紋波電壓而須增大輸出電容C2,取30為平衡點,即 L可選用電感量為140200H且通過5A以上電流不會飽和的電感器。電感的設(shè)計包括磁芯材料、尺寸、型號選擇及繞組匝數(shù)計算、線徑選用等。電路工作時重要的是避免電感飽和、溫升過高。磁芯和線徑的選擇對電感性能和溫升影響很大,材質(zhì)好的磁芯如環(huán)形鐵粉磁芯,承受峰值電流能力較強,EMI低。而選用線徑大的導(dǎo)線繞制電感,能有效降低電感的溫升。3.2 輸出電壓取樣電阻R1、R2因UC3842的腳2為誤差放大器反向輸入端,芯片內(nèi)正向輸入端為基準(zhǔn)2.5v,可知輸出電壓

11、Vo=2.5(1+R1R2),根據(jù)輸出電壓可確定取樣電阻R1、R2的取值。由于儲能電感的作用,在開關(guān)管開啟和關(guān)閉時會形成大的尖峰電流,在檢測電阻Rs上產(chǎn)生一個尖峰脈沖,為防止造成UC3842的誤動作,在Rs取樣點到UC3842的腳3間加入R、C濾波電路,R、C時間常數(shù)約等于電流尖峰的持續(xù)時間。3.3 開關(guān)管S開關(guān)管的電流峰值由式(10)得Iv(max)=ILP=5.11A開關(guān)管的耐壓由式(11)得Vds(off)=Vo+Vf=40+0.8=40.8V按20的余量,可選用6A50V以上的開關(guān)管。為使溫升較低,應(yīng)選用Rds較小的MOS開關(guān)管,要考慮的是通態(tài)電阻Rds會隨PN結(jié)溫度T1的升高而增大。

12、圖4為實測開關(guān)管的開關(guān)電壓波形和電流瞬態(tài)波形圖。3.4 輸出二極管D和輸出電容器C2升壓電路中輸出二極管D必須承受和輸出電壓值相等的反向電壓,并傳導(dǎo)負(fù)載所需的最大電流。二極管的峰值電流Id(max)=ILP=5.11A,本電路可選用6A50V以上的快恢復(fù)二極管,若采用正向壓降低的肖特基二極管,整個電路的效率將得到提高。輸出電容C2的選定取決于對輸出紋波電壓的要求,紋波電壓與電容的等效串聯(lián)電阻ESR有關(guān),電容器的容許紋波電流要大于電路中的紋波電流。電容的ESR<Vo/IL=40x1/1.33=O.3。另外,為滿足輸出紋波電壓相對值的要求,濾波電容量應(yīng)滿足 根據(jù)計算出的ESR值和容

13、量值選擇電容器,由于低溫時ESR值增大,故應(yīng)按低溫下的ESR來選擇電容,因此,選用560F50V以上頻率特性好的電解電容可滿足要求。3.5 外補償網(wǎng)絡(luò)UC3842誤差放大器的輸出端腳l與反相輸入端腳2之間外接補償網(wǎng)絡(luò)Rf、Cf。 Rf、Cf的取值取決于UC3842環(huán)路電壓增益、額定輸出電流和輸出電容,通過改變Rf、Cf的值可改變放大器閉環(huán)增益和頻響。為使環(huán)路得到最佳補償,可測試環(huán)路的穩(wěn)定度,測量Io脈動時輸出電壓Vo的瞬態(tài)響應(yīng)來加以判斷。圖5為Cf選用0.0lF和470pF時動態(tài)響應(yīng)控制波形的區(qū)別,上沖下降幅度和復(fù)位時間都有差別。3.6 斜坡補償在實用電路中,增加斜坡補償網(wǎng)絡(luò),一般有二種方法,

14、一是從斜坡端腳4接補償網(wǎng)絡(luò)Rx、Cx至誤差放大器反相輸入端腳2,使誤差放大器輸出為斜坡狀,再與Rs上感應(yīng)的電壓比較。二是從斜坡端腳4接補償網(wǎng)絡(luò)Rx、Cx到電流感應(yīng)端腳3,將在Rs的感應(yīng)電壓上增加斜坡的斜率,再與平滑的誤差電壓進行比較,作用是防止諧波振蕩現(xiàn)象,避免UC3842工作不穩(wěn)定,同時改善電流型控制開關(guān)電壓的噪聲特性。本文采用方法二。3.7 保護電路當(dāng)UC3842的腳3電壓升高超過1V或腳1電壓降到1V以下,都可使PWM比較器輸出高電平,造成PWM鎖存器復(fù)位。根據(jù)UC3842關(guān)閉特性,可以很容易在電路中設(shè)置過壓保護和過流保護。本電路中Rs上感應(yīng)出的峰值電流形成逐個脈沖限流電路,當(dāng)腳3達到1

15、V時就會出現(xiàn)限流現(xiàn)象,所以,整個電路中的電感磁性元件和功率開關(guān)管不必設(shè)計較大的余量,就能保證穩(wěn)壓電路工作可靠,降低成本。4 結(jié)語按以上原理和計算設(shè)計丁輸入18V,輸出40V的80W升壓DCDC電路,整個電路調(diào)試容易,工作穩(wěn)定,可靠性高,效率達80以上,特別是成本低,已應(yīng)用于實際設(shè)備中。另外,可根據(jù)具體的電路指標(biāo)要求,對電路靈活控制、變動,設(shè)計出其他的應(yīng)用電路。電源技術(shù) 相關(guān)文章: 電源模型及其等效變換簡介:一電壓源模塊及其伏安特性電路圖如圖2-1-1(a)所示，其中us為電壓源的電壓，Rs為它的內(nèi)電阻（也稱電壓源的輸出電阻），u和i分別為其端電壓和端電流，箭頭表示電流的參考方向（注意，對電壓源支路而言，此處u的"+"和"-"極規(guī)定與i的參考方向規(guī)定為不關(guān)聯(lián)）。圖2-1-1 電壓源模型及其伏安關(guān)系 &nbs.DC/DC變換器的發(fā)展與應(yīng)用3-2000V可調(diào)直流穩(wěn)壓電源有效控制白光LED電流的開關(guān)穩(wěn)壓器多用途延遲開關(guān)電源插座  下一個:單片機基于單片機的具有通訊口的智能溫控表簡介:1引言 溫控表已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域，本文介紹的具有計算機通訊功能的智能溫控表是一種新穎的自動化儀表，它以單片機AT89C52為核心，采用電壓頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)和RS485通信接口芯片MAX487，具有測量精度高、可靠性好、抗干擾性