基于UC3843控制芯片的BOOST變換器

基于UC3843控制芯片的BOOST變換器摘要：本系統(tǒng)DC-DC模塊采用Boost變換拓?fù)洌訳C3843控制芯片作為控制核心,采用PWM控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的穩(wěn)壓。Boost變換器可將不可控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏敵?廣泛應(yīng)用于可調(diào)整直流開關(guān)電源和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。Boost變換器克服了傳統(tǒng)串聯(lián)型穩(wěn)壓電源能耗大、體積大的缺點(diǎn),具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、變換效率高等優(yōu)點(diǎn),但其輸出功率一般達(dá)不到70W,所以設(shè)計(jì)Boost變換器的關(guān)鍵是提升電路的輸出功率。由于專用升壓芯片內(nèi)部開關(guān)管的限制,難以做到大功率升壓變換,這使得Boost變換器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)受到很大限制。因此,利用Boost自身電路結(jié)構(gòu),結(jié)合UC3843控制芯片的特點(diǎn),設(shè)計(jì)出一種大功率輸出的Boost升壓電路。經(jīng)過(guò)測(cè)試，在負(fù)載電流為2A以下，輸入為18V時(shí)，輸出為30V到36V可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源，最大輸出功率為50W，電壓調(diào)節(jié)的最大誤差在之內(nèi)的直流穩(wěn)壓電源。關(guān)鍵字：開關(guān)電源，Boost變換，UC3843控制芯片，斜坡補(bǔ)償，軟啟動(dòng)，過(guò)壓保護(hù)目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求二、方案論證12.1DC-DC主回路拓?fù)?2.2穩(wěn)壓控制方案12.3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算23.1Boost升壓電路23.2UC3843控制電路33.3斜率補(bǔ)償43.4軟啟動(dòng)43.5穩(wěn)壓、限流方法及過(guò)壓保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)4四、系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析54.1測(cè)試使用儀器54.2測(cè)試方法5五、總結(jié)7參考文獻(xiàn)8附錄91.系統(tǒng)的主電路原理92.UC3843控制電路電路原理圖103.測(cè)試波形114.原器件清單11設(shè)計(jì)任務(wù)與要求二、方案論證2.1DC-DC主回路拓?fù)涓鶕?jù)題目要求,設(shè)計(jì)在負(fù)載電流為1A以下，輸入為10V時(shí)，輸出為20V的直流穩(wěn)壓電源，最大輸出功率為20W，電壓調(diào)節(jié)的最大誤差在之內(nèi)的直流穩(wěn)壓電源。1.1DC-DC主回路拓?fù)浞桨敢唬洪g接直流變流電路：結(jié)構(gòu)如圖1所示，但由于采用屢次變換，電路中的損耗較大，效率較低，而且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。可實(shí)現(xiàn)升降壓功能，電壓傳輸比范圍寬，輸入輸出電氣隔離，但是由于能量變換較多，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，在非電氣隔離要求的小功率場(chǎng)合并不適宜；采用屢次變換，電路中的損耗較大，效率較低，而且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。圖1間接直流變換電路方案二：Boost升壓斬波電路：BOOST電路〔如3所示〕，可通過(guò)調(diào)整開關(guān)器件S的PWM占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)壓或穩(wěn)流等性能。BOOST電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，控制相對(duì)方便，效率較高等優(yōu)點(diǎn)。圖2BOOST升壓斬波電路結(jié)構(gòu)框圖綜上所述：本開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)中的DC/DC模塊采用B變換器拓?fù)洹?.2穩(wěn)壓控制方案方案一：采用單片機(jī)數(shù)字控制單片機(jī)可實(shí)時(shí)采集多路電壓，與內(nèi)部設(shè)定的參考電壓進(jìn)行比擬，采用PI算法等可輸出PWM波，從而控制DC/DC各模塊的工作狀態(tài)，但是系統(tǒng)調(diào)試比擬復(fù)雜。方案二：使用單開關(guān)管，能降低開關(guān)管損耗，且控制容易，電路較為簡(jiǎn)潔，但在功率較高的情況下，電感設(shè)計(jì)要求較高，經(jīng)驗(yàn)成分多，設(shè)計(jì)不好會(huì)造成過(guò)大的沖擊電流，影響效率也容易使開關(guān)管損壞。采用集成的開關(guān)電源控制芯片UC3843，外圍器件少，PWM波形精確，性能良好。綜合考慮，UC3843是高性能固定頻率電流模式控制器，專為離線和直流至直流變化器應(yīng)用而設(shè)計(jì)，可具有可微調(diào)的振蕩器、能進(jìn)行精確地占空比控制、高增益誤差放大器，擴(kuò)展能力強(qiáng)，對(duì)系統(tǒng)的控制方便。故本次設(shè)計(jì)我們選用方案二。2.3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖3UC3843雙閉環(huán)控制框圖整個(gè)穩(wěn)壓過(guò)程有兩個(gè)閉環(huán)來(lái)控制〔如圖3所示〕電壓閉環(huán)：輸出電壓通過(guò)取樣后反應(yīng)給誤差放大器，用于同放大器內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)電壓比擬后產(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。電流閉環(huán)：RS為開關(guān)管源極到公共端間的電流檢測(cè)電阻，開關(guān)管導(dǎo)通期間流通電感L的電流在RS產(chǎn)生的電壓送至PWM比擬器同向輸入端，與誤差電壓比擬后控制調(diào)制脈沖的寬度，從而保持穩(wěn)定的輸出電壓。2.3影響系統(tǒng)效率的主要因素有：a.功率變換器開關(guān)器件的開關(guān)損耗；b.感性元件的鐵損和銅損；c.控制電路的損耗等。其中，開關(guān)器件的開關(guān)損耗是影響系統(tǒng)效率的最主要方面，因此，除主電路結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)化外，選用開通、關(guān)斷比擬迅速、通態(tài)電阻小的功率MOS管作為主開關(guān)器件，Boost二極管也選用超快恢復(fù)二極管。感性元件主要是Boost電感，選取鐵損比擬小的鐵氧體為磁芯，盡量選用截面比擬粗的漆包線以降低損耗。控制電路的工作電源采取兩種方式來(lái)降低損耗：主控制芯片UC3843直接用主電路的整流濾波電路供電，單片機(jī)和少量外圍電路用自制的開關(guān)電源供電。三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算壓電路〔1〕選擇適宜的開關(guān)工作頻率基于本系統(tǒng)控制的精度要求，最終決定主回路開關(guān)頻率。〔2〕主電路的MOS管選取根據(jù)主電路中的工作電壓及電流，結(jié)合MOS管的耐壓、耐流及損耗性能，電力晶體管耐壓高，且開關(guān)損耗大，適合工作頻率比擬低的場(chǎng)合，電力場(chǎng)效應(yīng)管耐壓比擬低，但是開關(guān)損耗小，適合頻率比擬高的工作場(chǎng)合。根據(jù)這里的情況，我們選用了。考慮到實(shí)際電壓電流尖峰和沖擊，電壓電流耐量分別取2.5和2倍裕量，即應(yīng)選取耐壓高于40V，最大電流33A。實(shí)際選用IRF540型MOS管，通態(tài)電阻25mΩ，最高開關(guān)頻率超過(guò)1MHz?！?〕主電路的續(xù)流二極管選取為降低續(xù)流二極管的導(dǎo)通壓降，減少功率損耗，提高效率，選用肖特基二極管作為續(xù)流二極管。根據(jù)主回路中的工作電壓及電流，結(jié)合肖特基二極管的耐壓、耐流及損耗性能，選用IN4746耐壓40V最大電流為30A?！?〕主電路的電感計(jì)算a.CCM工作模式下MOS開關(guān)管占空比D的計(jì)算式中為輸入電壓，為輸出電壓。b.當(dāng)輸出最大負(fù)載時(shí)假設(shè)要使電流連續(xù),那么設(shè)電感紋波電流為平均電流的30%，即所以流過(guò)電感的峰值電流取電感線圈載流量為導(dǎo)線的截面積導(dǎo)線的直徑最終選取電感值為,且通過(guò)3A以上電流不會(huì)飽和的電感器，磁芯材料選用價(jià)格廉價(jià)的鐵粉芯黃自環(huán)?！?〕輸出電容計(jì)算輸出電容的選取決定了輸出紋波電壓，紋波電壓與電容的等效串聯(lián)電阻ESR有關(guān)，電容的容許紋波電流要大于電路中的紋波電流。電容的ESR值為另外為了滿足輸出紋波電壓的相對(duì)值的要求，濾波電容應(yīng)滿足考慮裕量，最終選取電容值為?！?〕反應(yīng)電阻R1和R2的選取反應(yīng)電壓U01為選取R2=10k的標(biāo)稱電阻，R1為一個(gè)1K的標(biāo)稱電阻和一個(gè)1K的滑變。3.2UC3843控制電路UC3843是高性能固定頻率電流模式控制器專為離線和直流至直流變換器應(yīng)用而設(shè)置，為設(shè)計(jì)人員提供只需最少外部元件就能獲得本錢效益高的解決方案UC3843集成電路具有可微調(diào)的振蕩器、能進(jìn)行精確的占空比控制、溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖?、高增益誤差放大器、電流取樣比擬器和大電流圖騰柱式輸出，是驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的理想器件UC3843是專為低壓應(yīng)用設(shè)計(jì)的，低壓鎖定門限為：8.5伏〔通〕和7.6v〔斷〕。UC3843是近年來(lái)問(wèn)世的新型脈寬調(diào)制集成電路，它具有功能全，工作頻率高，引腳少外圍元件簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，它的電壓調(diào)整率可達(dá)0.01%V，非常接近線性穩(wěn)壓電源的調(diào)整率。工作頻率可達(dá)500kHz，啟動(dòng)電流僅需1mA，所以它的啟動(dòng)電路非常簡(jiǎn)單。第〔1〕腳是補(bǔ)償端，外接電阻電容元件以補(bǔ)償誤差放大器的頻率特性。第(2)腳是反應(yīng)端，將取樣電壓加至誤差放大器的反相輸入端，再與同相輸入端的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比擬，輸出誤差控制電壓。第(3)腳接過(guò)流檢測(cè)電阻,組成過(guò)流保護(hù)電路。RT/RC為鋸齒波振蕩器的定時(shí)電阻和電容的公共端，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為VREF=5V。輸入電壓Vi≤30V，輸出端電壓Vo取決于高頻變壓器的變壓比。

UC3843是這個(gè)開關(guān)的電源的核心元件，它產(chǎn)生脈寬可調(diào)而頻率固定的脈沖輸出，推動(dòng)開關(guān)功率管的導(dǎo)通和截止，經(jīng)整流和濾波向負(fù)載提供直流電源，電源兼反應(yīng)繞組取得的控制電壓同時(shí)輸入U(xiǎn)C3843的誤差放大器，與基準(zhǔn)電壓比擬產(chǎn)生控制電壓，控制輸出脈寬的占空比，從而到達(dá)穩(wěn)壓目的。

UC3843得到啟動(dòng)電壓后即開始工作，輸出一定寬度的脈沖控制驅(qū)動(dòng)功率管的導(dǎo)通和截止。省去了光電耦合的負(fù)反應(yīng)控制電路，使電路更加簡(jiǎn)潔。R2、C3用于改善誤差放大器的頻率響應(yīng)，R1是斜波補(bǔ)償電容，R10和C5是UC3843的定時(shí)電阻和電容，如果R10=10kΩ，C5=4700p，開關(guān)頻率約為40KHz。R11是過(guò)流檢測(cè)電阻，R6是功率管柵極的限流電阻。 當(dāng)占空比超過(guò)0.5且處于CCM模式時(shí)，電感電流上升的曲線和控制電平的夾角要小于下降曲線同控制電平間的夾角時(shí)，這時(shí)候從幾何計(jì)算上來(lái)看，假設(shè)上一個(gè)周期電感初始電流反生一個(gè)小小擾動(dòng)，到下個(gè)周期開始時(shí)，電感電流擾動(dòng)是增大的，這樣擾動(dòng)經(jīng)過(guò)幾個(gè)開關(guān)周期的逐漸積累后，最后就會(huì)出現(xiàn)占空比一大一小的現(xiàn)象，這就是我們說(shuō)的次諧波振蕩電路容易發(fā)生次諧振蕩。占空比大于50%時(shí)，電流的下降率大于上升率，平坦的上升率使電感電流出現(xiàn)一個(gè)干擾而被放大，最終導(dǎo)致電路不穩(wěn)定。因此占空比大于50%時(shí)，必須采用斜坡補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)改善其工作特性。3.4軟啟動(dòng) 電源剛接通，穩(wěn)壓電路尚未進(jìn)入工作狀態(tài)，而開關(guān)電源輸出電壓的建立需要一定的時(shí)間。這樣，較低的輸出電壓，使加在電流比擬器反向輸入端的誤差電壓很高，這將使得芯片在這段時(shí)間內(nèi)⑥腳輸出占空比很大的PWM脈沖。開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)問(wèn)過(guò)長(zhǎng)，很容易因過(guò)熱而燒壞?？梢栽O(shè)置如圖？所示的由二極管D和電阻R以及電容C構(gòu)成的軟啟動(dòng)電路。 這樣，剛開機(jī)時(shí)由于C上的電壓為零，加在電流比擬器反問(wèn)輸入端的誤差電壓也為零，⑥腳輸出低電平。隨著芯片①腳輸出電壓和+5V基準(zhǔn)電壓通過(guò)Rt對(duì)C的充電，①腳的電壓逐漸升高，使加在電流比擬器反向輸入端的誤差電壓也逐漸升高，⑥腳輸出的PWM脈沖的占空比，在剛開機(jī)階段受到限制。當(dāng)C被充電到一定電壓后，二極管D截止，軟啟動(dòng)結(jié)束3.5穩(wěn)壓、限流方法及過(guò)電壓保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn) 穩(wěn)壓：輸出電壓U0經(jīng)R1和R2分壓后的電壓U01=[R2/(R1+R2)]U0將其輸入誤差放大器的反相端，通過(guò)與誤差放大器同相端的輸入基準(zhǔn)電壓2.5V的比擬來(lái)控制脈寬輸出3。假設(shè)輸出電壓偏高那么減小導(dǎo)通占空比使輸出減小，假設(shè)輸出電壓偏低那么增加導(dǎo)通占空比使輸出增大；假設(shè)輸出直流電壓發(fā)生變化對(duì)輸出電壓進(jìn)行取樣、反應(yīng)到UC3843的第2端，通過(guò)改變占空比來(lái)進(jìn)行穩(wěn)壓，依此實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)反應(yīng)控制到達(dá)穩(wěn)壓的效果。 限流：當(dāng)發(fā)生過(guò)流或者短路的情況時(shí)，電流取樣電阻Rs上的電壓將增大，通過(guò)3腳反應(yīng)輸入電流比擬器的同相端，此電壓大于1V使觸發(fā)器復(fù)位，6腳輸出低電平MOS管截止起到限流保護(hù)的作用。 過(guò)壓：當(dāng)負(fù)載端發(fā)生過(guò)壓情況時(shí)，通過(guò)電壓反應(yīng)輸入到UC3843UC3843停止工作起到保護(hù)作用。四、系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析按上述設(shè)計(jì)，搭建了一個(gè)，經(jīng)調(diào)試后工作正常UC3843控制芯片的BOOST變換器，并進(jìn)行了測(cè)試。4.1主要測(cè)試使用儀器示波器：TDS1012B-SC數(shù)字萬(wàn)用表：UT56MULTIMETER直流穩(wěn)壓電源：MPS-3005L-3測(cè)試數(shù)據(jù)及性能分析〔1〕測(cè)試工程一：電源電壓調(diào)整率測(cè)試條件()〔2〕測(cè)試工程二：負(fù)載調(diào)整率表不同負(fù)載的輸出電壓變化測(cè)試條件〔3