車載電源系統(tǒng)開關(guān)電源的設(shè)計

    目前世界各國正在研究48VDC汽車用電源系統(tǒng)，歐共體計劃從2008年開始采用48VDC電源系統(tǒng)。如何在48VDC電源系統(tǒng)下兼容12VDC電子設(shè)備成為了一個課題。通過線性穩(wěn)壓電源實現(xiàn)48VDC/12VDC的轉(zhuǎn)換會產(chǎn)生很大的功率損耗，缺點(diǎn)明顯。

    本文提出了一種具有過載和短路保護(hù)的車載電源系統(tǒng)的開關(guān)電源設(shè)計方案。該方案采用單端反激式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)48VDC/12VDC的轉(zhuǎn)換，輸出電壓穩(wěn)定，波紋小，不間斷，性能可靠且電源損耗小。

UC3842的保護(hù)電路設(shè)計

1 UC3842的典型應(yīng)用

    UC3842是高性能的單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制（PWM）芯片，其典型應(yīng)用電路如圖1所示。

圖1 UC3842典型應(yīng)用電路

2 過載保護(hù)原理分析

    當(dāng)出現(xiàn)輸出短路時，輸出電壓會下降，同時為UC3842供電的反饋繞組也會出現(xiàn)輸出電壓下降。當(dāng)輸入電壓低于10V時，UC3842停止工作，開關(guān)管截止。短路現(xiàn)象消失后，電源重新啟動，自動恢復(fù)正常工作。

    但由于在高頻關(guān)斷的時候會出現(xiàn)很高的尖峰電壓，即使占空比很小的情況下，電路中7腳的輸入電壓也可能不會降到足夠低，過載保護(hù)電路并不總能有效的響應(yīng)所出現(xiàn)的過載情況，對整個系統(tǒng)的性能會產(chǎn)生不良的影響，存在著一定的安全隱患。

3 過流保護(hù)原理分析

    當(dāng)電流取樣端3腳上的電壓值超過電流檢測比較器負(fù)端的電壓時，可以使脈寬調(diào)制鎖存器輸入復(fù)位信號，開關(guān)管于是被關(guān)閉。這樣峰值檢測電路限制輸出的最大電流，起到了一定的保護(hù)作用。

    但是隨著開關(guān)頻率的升高，可能會出現(xiàn)開關(guān)電源處于連續(xù)模式下，也就是每個開關(guān)周期的初級電感電流是從一定的幅度開始增長，這樣會產(chǎn)生分諧波振蕩。這種不穩(wěn)定性和穩(wěn)壓器的閉環(huán)特性無關(guān)，它是由固定頻率和峰值電流取樣同時工作引起的。圖2說明了這樣的現(xiàn)象。

圖2 補(bǔ)償前的電流波形

    如圖2所示，在t0時刻，開關(guān)管被導(dǎo)通，這時初級線圈電流以斜率m1上升，該斜率是輸入電壓和電感的函數(shù)。在t1時刻，電流取樣輸入到達(dá)了電流檢測比較器的門限，將導(dǎo)致開關(guān)管關(guān)閉，電流以斜率m2衰減，直到下一個開關(guān)周期的到來。如果有一個擾動加在電流檢測比較器的門限電壓上，產(chǎn)生了一個小的△I（如圖2中虛線所示），就會發(fā)生不穩(wěn)定的現(xiàn)象。在一個固定的振蕩周期內(nèi)，電流衰減時間減少，最小電流在開關(guān)管導(dǎo)通時刻（t ₂）上升了△I+m ₂/m ₁。最小電流在下一個周期（t ₃）減小到（△I+m ₂/m ₁）·（m ₂/m ₁）。

圖3 開關(guān)電源原理框圖

    每一個后續(xù)的開關(guān)周期內(nèi)，該擾動都會與（m ₂/m ₁）相乘，在幾個開關(guān)周期交替增加和減小初級線圈電流，也許若干個開關(guān)周期后電流會減小到零，使這個過程重新開始。如果m ₂/m ₁大于1，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。

4 保護(hù)電路的改進(jìn)

    如圖3所示，本設(shè)計針對UC3842典型應(yīng)用電路的過流、過載保護(hù)電路做出以下改進(jìn)。

    在反饋繞組的整流二極管回路串一個電阻，它和電容C2組成RC濾波網(wǎng)絡(luò)，對開關(guān)管開通瞬間時的尖峰電壓起到了濾除的作用。這樣，由于尖峰電壓的減少，當(dāng)短路現(xiàn)象發(fā)生時，反饋繞組輸出的電壓會有效的降低，UC3842會停止工作直到短路現(xiàn)象解除。

    對過流保護(hù)電路進(jìn)行斜率補(bǔ)償。補(bǔ)償斜率從RT、CT振蕩器產(chǎn)生，加到電壓反饋端，以提高誤差放大器輸出的斜率補(bǔ)償。如圖3所示，誤差放大器的輸出是具有m3斜率的斜坡，經(jīng)過兩個二極管后被電阻分壓，然后輸入到電流檢測比較器的負(fù)端作為過流保護(hù)電路的控制電壓。這樣通過電流檢測比較器和脈寬調(diào)制鎖存器的配置保證了在任何一個振蕩器周期中只有一個單脈沖出現(xiàn)在輸出端。當(dāng)出現(xiàn)過載或者輸出電壓取樣丟失等異常工作情況，內(nèi)部比較門限會被限定在1V，而不會出現(xiàn)電路失調(diào)的情況。

    圖4顯示了通過在控制電壓上增加一個與脈寬調(diào)制時鐘同步的人為的斜坡，可以在后續(xù)的開關(guān)周期有效的抑制由于△I擾動而引起的不穩(wěn)定。該補(bǔ)償斜坡的斜率（m ₃）必須等于或者大于m ₂/2才具有穩(wěn)定性。通過m ₃斜率的補(bǔ)償，初級線圈電流會被控制電壓所抑制，緊跟控制電壓的幅度。

實驗結(jié)果

    表1為輸入電壓在30～50V波動時，輸出電壓的波動情況，表2是負(fù)載電流在10～500mA變化時，輸出電壓的波動情況。由表1的數(shù)據(jù)可得到電壓調(diào)整率S _v<0.3%。由表2的數(shù)據(jù)可得到輸出電阻R _o<0.4Ω。

圖4 斜率補(bǔ)償后的電流波形

結(jié)論

     本文所提出的是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定的單端反激式結(jié)構(gòu)開關(guān)電源設(shè)計方案。由于采用了“斜率補(bǔ)償”的過流保護(hù)方式，性能更加穩(wěn)定可靠，電壓調(diào)整率低、輸出電阻小、紋波低，功率損耗低，系統(tǒng)安全系數(shù)高，實現(xiàn)對車載電源系統(tǒng)的供電，對提高汽車整體性能大有益處。本設(shè)計已經(jīng)成功應(yīng)用于武漢理工大學(xué)智能信息系統(tǒng)研究所自行設(shè)計的車用直流無刷電機(jī)控制器的電源系統(tǒng)中。

    同時，本文所提出的DC/DC方案也適用于其他直流供電電源的應(yīng)用設(shè)計。由于其性能穩(wěn)定，紋波小，對采用微控制器的數(shù)字控制系統(tǒng)的供電電源設(shè)計有一定的借鑒意義。