基于UC1845的多路輸出雙管反激開關(guān)電源方案

0 引言

隨著器件、工藝水平的飛速發(fā)展，開關(guān)型功率變換器已發(fā)展成高效、輕型的直流電源，空間飛行器(星、箭、船等)DC/DC變換器(又稱二次電源)也采用該項(xiàng)技術(shù)。

主要原因是衛(wèi)星電子設(shè)備對(duì)電源的效率、重量、體積和可靠性的要求越來越高，而傳統(tǒng)的線性電源方案幾乎無法滿足飛行器系統(tǒng)的需要。在各種類型的DC/DC變換器中，PWM 型DC/DC變換器因結(jié)構(gòu)種類多，技術(shù)領(lǐng)先，便于實(shí)現(xiàn)，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[1].

在航天應(yīng)用領(lǐng)域開關(guān)電源的多種拓?fù)渲?，可用?00 V高壓母線輸入多路輸出的開關(guān)電源，大多數(shù)采用的是兩級(jí)式變換器，如Buck+推挽兩級(jí)式變換器，先通過Buck電路將母線電壓降壓，這樣母線電壓要經(jīng)過二次調(diào)整，使電壓調(diào)整率降低;再?gòu)钠骷?shù)量上來說，兩級(jí)拓?fù)?，功率開關(guān)管至少需要3個(gè)，電源體積大且功率密度低，從整體分析不是很理想;而對(duì)于可以承受高壓輸入的雙管正激開關(guān)電源來說，電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但其不適合用于多路輸出的場(chǎng)合，輸出交叉調(diào)整率較低，穩(wěn)定度差;適合用于中小功率多路輸出DC-DC 變換器的電路拓?fù)溥€有是單管反激電路，其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但在高輸入電壓場(chǎng)合中單管反激電路主開關(guān)管的電壓應(yīng)力非常高，選用200 V耐壓的MOSFET管根本無法滿足Ⅰ級(jí)降額的要求，如果選用更高耐壓的MOSFET管，由于其導(dǎo)通電阻更高，勢(shì)必影響電源的轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)還可能帶來真空環(huán)境下的低氣壓放電問題。

因此為了克服以上所提到的問題，本文設(shè)計(jì)了一種星上用基于UC1845的多路輸出雙管反激開關(guān)電源，很適合應(yīng)用于高壓100 V母線輸入、多路輸出場(chǎng)合。對(duì)于雙管反激開關(guān)電源，首先，其電路拓?fù)浜?jiǎn)單，輸入輸出電氣隔離升/降壓范圍廣，具有輸出多路負(fù)載自動(dòng)均衡等優(yōu)點(diǎn);其次，由于航天電源對(duì)可靠性的要求，所有器件必須滿足一級(jí)降額標(biāo)準(zhǔn)，在雙管反激變換電路中，當(dāng)功率管關(guān)斷時(shí)，變壓器漏感電流可通過續(xù)流二極管反饋給電源同時(shí)將開關(guān)管兩端的電壓箝位在電源電壓，因此功率管所承受的電壓應(yīng)力和輸入電壓相等，使選管的范圍擴(kuò)大，可靠性提高;再次，雙管反激開關(guān)電源電路漏感能量可以回饋到輸入側(cè)，無須增加任何吸收電路，因而轉(zhuǎn)換效率也比單管反激電路高。因此將其運(yùn)用于航天器高壓輸入多路輸出場(chǎng)合，優(yōu)勢(shì)很大，具有實(shí)際的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 雙管反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

雙管反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

如圖2所示，VT1和VT2分別串接于變壓器的頂端和底端。兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，當(dāng)它們導(dǎo)通時(shí)，所有初級(jí)和次級(jí)的同名端為正，此時(shí)次級(jí)VD3 反偏，次級(jí)無電流流通，初級(jí)繞組儲(chǔ)存能量;當(dāng)它們關(guān)斷時(shí)，存儲(chǔ)于勵(lì)磁電感上的電流使所有繞組電壓極性反向，VD3 正偏，勵(lì)磁電感中儲(chǔ)存的能量被傳輸?shù)截?fù)載，而此時(shí)LP同名端電位被二極管VD2鉗位至地，LP異名端電位被二極管VD1 鉗位至電源電壓U1.所以，VT1 的源極電壓不會(huì)超過U1,VT2的漏極電壓也不會(huì)超過U1.漏感尖峰被鉗位，使任一開關(guān)管的最大電壓應(yīng)力都不會(huì)超過最大直流輸入電壓。

雙管反激變換器還有一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是沒有漏感能量消耗。開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，存儲(chǔ)于漏感中的所有能量不是消耗于電阻元件或功率開關(guān)管內(nèi)，而是在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)通過VT1 和VT2 回饋[2]給U1.漏感電流從LP 的異名端流出，經(jīng)VD1流入U(xiǎn)1的正極，然后從其負(fù)極流出，經(jīng)VD2返回LP的同名端，使漏感能量能回饋到輸入側(cè)，提高了整機(jī)的轉(zhuǎn)換效率。

在航天電源中，對(duì)于高壓100 V 母線輸入電源，雙管反激開關(guān)電源便顯示出極大的優(yōu)勢(shì)。

3 UC1845 控制電路

UC1845 是由Texas Instruments 公司生產(chǎn)的電流控制型PWM 控制器，該芯片電路開關(guān)頻率可調(diào)節(jié)，具有電流反饋和電壓反饋雙環(huán)控制的特點(diǎn)，電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率高。其內(nèi)部功能模塊框圖如圖3 所示。圖3 中，UC1845 主要包括：

5.0 V基準(zhǔn)電壓源，高增益的誤差放大器，電流比較器，RS觸發(fā)器和欠壓鎖定電源電路。具有8腳封裝的UC1845芯片各引腳功能如下：腳l為誤差放大器輸出，用于環(huán)路補(bǔ)償;腳2是誤差放大器的反相輸入，通常通過一個(gè)電阻分壓器連至開關(guān)電源輸出，起電壓反饋?zhàn)饔?，調(diào)整輸出的占空比，從而穩(wěn)定輸出電壓;腳3為電流取樣引腳，脈寬調(diào)制器使用此信息終止輸出開關(guān)的導(dǎo)通，保護(hù)開關(guān)管，避免過流損壞;腳4用于定時(shí)，通過時(shí)間電阻RT,連接至參考輸出引腳8以及時(shí)間電容CT 連接至地，使振蕩器頻率和最大輸出占空比可調(diào)，振蕩頻率為f=1.72 (RTCT ) ;腳5是控制電路和電源的公共地;腳6是輸出驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的方波引腳。為圖騰柱式輸出，可直接驅(qū)動(dòng)功率管MOSFET的柵極;腳7 是控制集成電路的正電源(VCC)啟動(dòng)電壓為8.4 V,最大輸出電流可以達(dá)到1 A,適合驅(qū)動(dòng)MOSFET以及適用于中小功率的DC/DC開關(guān)電源;腳8是內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生5.0 V基準(zhǔn)電壓，作為UC1845內(nèi)部電源，經(jīng)衰減得2.5 V電壓作為比較放大器基準(zhǔn)，并可作為向外電路輸出5 V/50 mA的電源。UC1845還包括過壓、欠壓保護(hù)電路，當(dāng)供電電源電壓低于7.6 V 時(shí)，芯片停止工作。

UC1845 具有很高的工作溫度范圍，可以在-65~150 ℃的范圍內(nèi)穩(wěn)定的工作，可滿足航天應(yīng)用[3].

4 主體電路設(shè)計(jì)

主體電路以雙管反激電路為總的系統(tǒng)框架，用UC1845芯片和相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成PWM控制器，反饋電路采用了磁隔離反饋，通過一個(gè)反饋控制量實(shí)現(xiàn)多路輸出，在輸出端配合應(yīng)用低壓差三端穩(wěn)壓器，可以提高各路輸出負(fù)載穩(wěn)定度。

4.1 反饋控制電路設(shè)計(jì)

在常用的隔離反饋技術(shù)中，航天方面選用磁反饋較光耦反饋要更為可靠和穩(wěn)定。相對(duì)于磁反饋而言，光耦反饋雖然更能達(dá)到所需的帶寬，且電路簡(jiǎn)單、元件少，但在高溫下光耦的傳輸比(CTR)會(huì)變小，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)放飽和，使輸出電壓的反饋控制失效。磁反饋比光耦反饋壽命長(zhǎng)，受溫度影響小?？馆椪漳芰?qiáng)，故在航天方面選用磁反饋較光耦反饋要更為可靠和穩(wěn)定[4].

本電路中控制電路圍繞脈寬調(diào)制器UC1845進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用滿足航天應(yīng)用的磁隔離反饋技術(shù)。電路電壓采樣不是直接從輸出端采樣而是采用了磁隔離反饋技術(shù)。這種設(shè)計(jì)可以不借助啟動(dòng)隔離電路而實(shí)現(xiàn)離線式輸出，線路簡(jiǎn)單，但帶來的缺點(diǎn)是如果輸出端不使用低壓差三端穩(wěn)壓器負(fù)載調(diào)整率做不到很高，可以通過對(duì)變壓器的設(shè)計(jì)和對(duì)變壓器原邊電感的計(jì)算使其工作于臨界連續(xù)模式，可對(duì)輸出電壓負(fù)載調(diào)整率有一定改善;電流環(huán)采樣信號(hào)與自持電壓采樣反饋信號(hào)和基準(zhǔn)電壓信號(hào)進(jìn)行比較，得到誤差控制信號(hào)進(jìn)行比較得到PWM 控制信號(hào)構(gòu)成了電流型控制雙環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)開關(guān)功率管進(jìn)行開關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。

UC1845啟動(dòng)電壓在電路每次啟動(dòng)時(shí)是通過啟動(dòng)輔助供電電路降壓?jiǎn)?dòng)，將PWM 電路的啟動(dòng)工作電壓穩(wěn)定在10~12 V 范圍內(nèi)，使PWM 電路安全可靠地啟動(dòng)并工作;在電源模塊正常工作后，由于雙管串聯(lián)反激電路主變壓器用于給PWM供電的自持繞組輸出電壓比降壓?jiǎn)?dòng)輸出電壓略高，使得整流二極管被反向截止，該電路無輸出功率，而PWM 電路通過主變壓器自持繞組輸出電壓長(zhǎng)期供電，這樣降低了電路功耗。

4.2 雙管反激式開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)

此雙管反激式變壓器的繞制采用“三明治”式繞法，如圖4所示，即初級(jí)繞組先繞一半，再繞次級(jí)繞組，繞后再將初級(jí)繞組剩余的匝數(shù)繞完，將次級(jí)繞組包裹在里面，這樣漏感最小。且使輸出繞組和自持繞組并繞以實(shí)現(xiàn)最佳耦合效果。

反激式開關(guān)電源變壓器不同于其他雙極型變壓器，能量不僅要傳遞，還要在變壓器電感中儲(chǔ)存，并實(shí)現(xiàn)隔離作用，它實(shí)際作為一個(gè)變壓器-扼流圈發(fā)揮作用。因此變壓器設(shè)計(jì)也不同于其他電路，初級(jí)繞組電感值直接影響電路中的電壓、電流波形。[!--empirenews.page--]

關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)：

由已知條件計(jì)算出總輸出功率，確定磁芯截面積S.

和磁芯工作磁感應(yīng)強(qiáng)度ΔB,選擇合適的磁芯。

初級(jí)線圈的峰值電流：

式中，N1 是最小的初級(jí)匝數(shù);Vmin 是最大的初級(jí)電流電壓(單位：V);TON 是開關(guān)管Q1 的最大導(dǎo)通時(shí)間(單位：

μs);B 是AC磁通密度變化的峰-峰值(單位：T)，鐵氧體典型值為200 mT;Ae 為磁芯中心柱的有效面積(單位：

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的適用于航天器用寬輸入電壓范圍的雙管串聯(lián)反激、磁隔離反饋、高穩(wěn)定三路輸出DC-DC變換器，電源輸入母線電壓范圍為60~120 V(標(biāo)稱：100 V)，輸出電壓為5 V/0.8 A、±12 V/0.3 A,額定輸出功率為11.2 W,典型效率為75%以上，輸出端使用低壓差三端穩(wěn)壓器的情況下，輸出電壓負(fù)載穩(wěn)定度優(yōu)于±1%.

5.1 開關(guān)電源輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了檢驗(yàn)該開關(guān)電源的性能，對(duì)上述應(yīng)用電路進(jìn)行了性能測(cè)試。開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、紋波和效率如表l所示(表中UPP為電壓峰峰值)。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在寬電壓輸入變化范圍內(nèi)輸出電壓穩(wěn)定。

5.2 電流采樣環(huán)波形

電流環(huán)波形如圖5所示。

5.3 主開關(guān)管漏-源波形

主開關(guān)管漏-源波形如圖6所示。

6 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)證明本文所設(shè)計(jì)的基于UC1845多路輸出雙管反激開關(guān)電源開關(guān)電源具有良好的工作性能，輸出紋波小，反饋環(huán)節(jié)易于調(diào)整，保護(hù)動(dòng)作迅速可靠。符合航天電源可靠性要求，特別適用于中小功率高壓母線輸入多路輸出場(chǎng)合。