電流控制模式多路輸出開關(guān)電源的研制

電流控制模式多路輸出開關(guān)電源的研制摘要：介紹了開關(guān)電源電流型PWM控制技術(shù)的原理和優(yōu)點(diǎn)，并基于UC3842芯片設(shè)計(jì)了+5丫/4兒±12V/1A三路輸出的反激式電源，具體分析了電路的工作原理和高頻變壓器參數(shù)的計(jì)算。關(guān)鍵詞：脈寬調(diào)制；電流控制模式；反激式0弓1言近年來，開關(guān)電源在通信、工業(yè)自動化、航空、儀表儀器等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。新穎的電流型PWM克服了傳統(tǒng)的電壓型PWM的缺點(diǎn)，使開關(guān)電源具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)、高度的穩(wěn)定性、更好的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，特別是其內(nèi)在的限流能力，使過載及短路保護(hù)簡單可靠。電流型PWM集成控制器已經(jīng)產(chǎn)品化，本設(shè)計(jì)使用的就是典型的Unitrode公司產(chǎn)品UC3842,其特別適合于小功率型開關(guān)電源。1電流控制模式的原理及優(yōu)點(diǎn)圖1所示為反激式開關(guān)電源的電壓、電流雙閉環(huán)控制的原理。時(shí)鐘以固定頻率發(fā)送脈沖，脈沖到來時(shí)，鎖存器置1，開關(guān)管導(dǎo)通，變壓器原邊電流上升。上升到由誤差信號Ue決定的閾值時(shí)，PWM比較器輸出高電平，鎖存器復(fù)位，功率開關(guān)管關(guān)斷，直到下個(gè)脈沖的到來。當(dāng)輸入電壓升高時(shí)，系統(tǒng)有很快的動態(tài)響應(yīng)，對電壓擾動實(shí)現(xiàn)前饋抑制。同時(shí)，電壓誤差放大器有很高的增益，不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且改善了負(fù)載調(diào)整率。逐個(gè)脈沖電流檢測限制可以簡化過流保護(hù)電路，峰值限制最大輸出電流，保證電源工作可靠，變壓器和功率器件不必有較大的裕量。B器圖1雙閉環(huán)電流模式控制原理電路原理與設(shè)計(jì)UC3842簡單介紹UC3842是一種單端輸出的峰值電流PWM控制芯片，管腳示意如圖2所示。其內(nèi)部有誤差放大器、PWM調(diào)制、鎖存、振蕩時(shí)鐘等基本模塊，還有欠壓鎖定、過壓保護(hù)、基準(zhǔn)電源、低起動電流、電流圖騰輸出等功能。電壓滯環(huán)的起動電壓是16V,關(guān)閉電壓是10V,6V的起動與關(guān)閉電壓差可有效防止電路在閥值電壓附近工作而引起的振蕩。芯片起動電流imA,所以，芯片可以對高壓用電阻降壓起動，待起動完成后由饋電繞組供電。補(bǔ)償端接RC網(wǎng)絡(luò)來改變誤差放大器的閉環(huán)增益和頻率響應(yīng)。電流反饋端Ucs>iV時(shí)輸出脈沖關(guān)斷，起到逐個(gè)脈沖限流保護(hù)。時(shí)鐘由外接阻容RT和CT決定。補(bǔ)償18Vref電壓反饋27Vcc電流取祥36輸出Rt/Ct45地圖2UC3842的管腳排列電路的模塊分析圖3是以UC3842作為控制器的單端反激式開關(guān)電源的電路圖，輸出分別為+5V/4A及±12V/1A。電路對+5V輸出用4N35光耦進(jìn)行電壓采樣來精確穩(wěn)壓，±12V輸出加三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓。圖3中Li抑制共模干擾，RT是熱敏電阻，限制上電的沖擊電流，ZMR是壓敏電阻，防止雷擊，C4濾除工頻信號；R2,C18,D5用于吸收開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器漏感產(chǎn)生的過電壓；R6及C8用于濾除MOSFET開通時(shí)的電流尖峰，避免對檢測電流信號的干擾;R9及Cii構(gòu)成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)；Ri是檢測電阻，用以把變壓器原邊的電流轉(zhuǎn)化成電壓，R7是起動電阻，起動完成后由饋電繞組經(jīng)過D6及C7供電；R8及C5決定振蕩器頻率L72x即，fosc=^擊網(wǎng)您(kHz),本設(shè)計(jì)中為50kHz；L2,Ci5，Ci6組成型濾波，濾除低頻，而C10濾除高頻；Rii是假性負(fù)載，因?yàn)?，開關(guān)電源要求在空載下能工作，而反激式變換器必須保證磁路復(fù)位，否則會造成變壓器磁芯飽和，燒壞主功率管。R15及C20吸收副邊整流管的尖峰。TL431是精密可調(diào)基準(zhǔn)電源，調(diào)節(jié)RES3可以改變輸出電壓。圖3電流型反激式三路輸出開關(guān)穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓過程的分析電流控制型脈寬調(diào)制實(shí)際上是利用誤差信號去控制變壓器初級線圈中的電流。電路主要由調(diào)整脈寬來穩(wěn)定+5V/4A輸出，而±12V/1A由于和+5V線圈緊密耦合，所以，利用三端穩(wěn)壓器來穩(wěn)壓。

圖4所示，TL431是精密可調(diào)基準(zhǔn)電源，穩(wěn)壓值為2.5?36V連續(xù)可調(diào)，工作時(shí)電路自行調(diào)節(jié)陰極K端電壓，以使R端電壓Uref保持在2.5V。而輸出電壓Uo=Uref〔i+Ri3/(R14+RES3)〕 UKA由于Uref穩(wěn)定在2.5V,若改變R13/(R14+RES3］就可以改變輸出。本設(shè)計(jì)中Uo=2.5x〔1+3.3 /(1.5+RES3))，如取RES3=l，則輸出為5V。圖4精密可調(diào)基準(zhǔn)電源調(diào)節(jié)過程如下：當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，例如loadt-Uot-Uref，-UKA，一(Uo—UKA)，一光耦原邊i，一光耦副邊三極管Ucet-PWM比較器反向輸入端Uet-Dt-Uot；可見負(fù)載增大，電源自動調(diào)節(jié)占空比，使輸出穩(wěn)定，反之亦然。當(dāng)輸入電壓升高時(shí)，即Uit-(Ui/L)t-Uot-PWM比較器正向輸入端Ucst-D，一Uo匕可見輸入電壓波動是前饋調(diào)節(jié)，速度快，當(dāng)然輸入電壓的變化也會影響輸出，產(chǎn)生誤差進(jìn)而調(diào)節(jié)，這樣線形調(diào)整率更佳。當(dāng)調(diào)整RES3改變輸出時(shí)，例如RES3t-(R14+RES3)t-Uo，一(Uo—UKA)t-光耦原邊il-Dl-Uo匕可見其與負(fù)載變化調(diào)整情況相反，調(diào)大RES3是降低輸出電壓，占空比隨之減小，從而穩(wěn)定輸出。高頻變壓器的設(shè)計(jì)高頻變壓器是開關(guān)電源的關(guān)鍵，其決定著電源的性能，本電源的參數(shù)：+5V/4A，±12V/iA,Po=45W， =0,DN=25%。設(shè)計(jì)選用EI型的鐵氧體鐵芯R2KB,常溫時(shí)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm=o.5mT,磁芯的有效截面積：Sc=i25mm2。N1?4分別為輸入、+5V輸出、饋電、±12V輸出繞組匝數(shù)，Ui=300V為輸入直流電壓，UD為二極管導(dǎo)通壓降取0.7V,DN=25%為額定占空比。1)變壓器匝比星福典匹n=Si_~dT~(1)將DN,Ui,Uo=5V代入式(1)得n=0.057。2)原邊繞組電感L=_2ft-代入式(2)得L=1mH。將DN,Ui,代入式(2)得L=1mH。3）原、副邊繞組匝數(shù)xin]N1=^BSO（3（3）將B=0.15為了防止磁芯飽和，取B<Bm）,Sc=i25mm2代入式（3）得Ni=80匝，貝I」N2=Nin=4.6，W5匝，又饋電繞組和副邊繞組同時(shí)導(dǎo)通，且穩(wěn)定電壓為13V,則N3=t+%（13+UD）=12匝，12KN4=5M=12,考慮到三端穩(wěn)壓器的損耗故取15匝。4）磁場氣隙圾施= （4）將數(shù)據(jù)代入式（4）得出=imm適當(dāng)?shù)臍庀犊煞乐棺儔浩黠柡停^大又增加了變壓器漏感，所以應(yīng)該折中選擇，本設(shè)計(jì)的EI磁芯，單邊可取 ，2實(shí)際中我們?nèi)?.5mm。5）繞制技巧原邊繞組分二層繞，先繞原邊40圈，再把饋電繞組、輸出繞組繞在一層，最外面還是原邊繞組，層與層之間要加絕緣膠帶，這樣的繞制方式可有效降低變壓器漏感。4實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖5所示為高頻