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[導(dǎo)讀]摘要 為了使電源具有更好的使用效率和穩(wěn)定性,文中設(shè)計了一種基于UC3842的多路輸出型開關(guān)電源系統(tǒng)。文中分析了所使用芯片的選擇原因,以及電源中主要模塊的需求、原理。通過

摘要 為了使電源具有更好的使用效率和穩(wěn)定性,文中設(shè)計了一種基于UC3842的多路輸出型開關(guān)電源系統(tǒng)。文中分析了所使用芯片的選擇原因,以及電源中主要模塊的需求、原理。通過在特定軟件上對所設(shè)計電源進行仿真,仿真結(jié)果表明,該開關(guān)電源各路輸出穩(wěn)定,誤差1%(±12 V)、2%(±5 V);且工作效率得到了大幅提升,符合設(shè)計要求。

電源作為各種裝置和設(shè)備的動力,是電子設(shè)備的重要部分。常用的是線性穩(wěn)壓電源,而這種單一的固定電源模式,隨著電子技術(shù)的發(fā)展已無法滿足需求。通常所說的線性穩(wěn)壓電源,是一種直流穩(wěn)壓電源,該穩(wěn)壓電源是最初被廣泛使用的。但該種電源仍存在著一定的問題,例如:體積大、工作效率低、操作繁瑣以及自保護性能差等,因此需設(shè)計出一種能符合現(xiàn)代化需求的電源。本文所設(shè)計開發(fā)的基于UC3842的多路輸出型開關(guān)電源效率較高,其開關(guān)電源采用控制集成電路和高頻變壓器的核心器件。具有輸出穩(wěn)定、誤差小、自我修復(fù)能力強等優(yōu)點。

1 UC3842的功能分析

UC3842是一種可固定頻率且可高效控制電流的芯片,該芯片可為電源設(shè)計者提供在盡可能少的外部原件需求下,仍可滿足高效益的設(shè)計和解決方案。其具有較強的保護特性,這些對應(yīng)的電路中振蕩器可進行微調(diào),能對真空比做出準(zhǔn)確控制,且對溫補進行參考,誤差運算放大器也具有較高的增益,驅(qū)動功率MOSFE的理想器件是比較器以及大電流的柱式輸出,其保護特性還可進行輸出和輸入的壓力鎖定,對電流大小的限制、對編程時的輸出時間以及脈沖多個或一個的測量鎖定。UC3842主要是一種電流型的控制器,其具有較多優(yōu)點:如引腳少、電路設(shè)計簡單明了、性能穩(wěn)定且性價比高等。其頻率穩(wěn)定度也較好,具有較低的電壓調(diào)整率;此外對輸入端進行過壓保護,另具有電流保護,在電壓不足時進行電壓鎖定等功能。UC3842的引腳圖如圖1所示,其工作原理為:Vcc芯片的工作電壓端,接入+16 V電壓對裝置進行啟動,引腳6是調(diào)制脈寬信號的輸出端,Vref將內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進行引出,補償端接外部阻容元件,并對控制環(huán)路進行補償;引腳5為公共地,輸出電壓在被電阻分壓器分壓并獲得反饋電壓后,直接接入到反饋端;Rs為外部的電流檢測電阻,電流進行取樣后直接接入Rs,在開關(guān)管的電路中Rs起到的是串聯(lián)作用;RT/CT分別為外接定時電阻和電容的公共端。

2 總體設(shè)計

該開關(guān)電源的總體結(jié)構(gòu)圖,如圖2所示。開關(guān)電源的主要電路由前置濾波電路、輸入整流電路、濾波電路、功率變換電路、高頻變壓器、PWM控制器電路以及輸出整流濾波電路等組成。開關(guān)電源的輔助電路由輸入輸出過欠壓保護電路、濾波電路、功率變換電路和高頻變壓器輸出短路保護電路組成。而交流/直流轉(zhuǎn)換電路的作用是對電路進行整流濾波。而直流/交流轉(zhuǎn)換器則是開關(guān)電源組成中最為重要的一部分,其分為較多的基礎(chǔ)類型,例如,綜合式、Push式、前進式、后退式、全部式和半部式的轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)中輸出電壓是否穩(wěn)定也是開關(guān)良好與否的重要指標(biāo)。而電源中電壓穩(wěn)定則是靠控制器來保持的,其工作過程和線性控制器相比,有諸多相同之處,所以控制器可將功能模塊、電壓處理模塊和誤差分析與放大模塊的設(shè)計均參考線性調(diào)節(jié)器的方式來進行處理,而只需注意其唯一不同之處,就是要將一個電壓/脈沖寬度轉(zhuǎn)換單元放到誤差放大器的輸出功率管之前。

3 開關(guān)電源系統(tǒng)及各模塊設(shè)計

開關(guān)電源設(shè)計的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示,包括EMI濾波電路、整流濾波電路、箝位電路、吸收回路、控制電路、輸出整流濾波電路和反饋電路。另外,還有高頻變壓器與開關(guān)器件MOSFET。本文設(shè)計的開關(guān)電源運行過程為,輸入交流電壓V首先通過系統(tǒng)最前端的保護電路后,再進行濾波。這是因需要減少系統(tǒng)中自身對電網(wǎng)的干擾,同時也對電網(wǎng)內(nèi)部的干擾進行控制,所以需通過EMI濾波,將交流電壓自動轉(zhuǎn)化為直流電壓,原因是為了使其可通過高頻的變壓器,并在此可改變電壓的大小,還可將電壓輸入到整流濾波電路中繼而得到所需的輸出電壓。在得到輸出電壓的過程中,會有大量的能量存儲在一次側(cè)中,為了對電路進行保護,需要加入一個箝位電路來保障整個電路正常運行。當(dāng)確保正常工作后,需注意效率問題,故為提高電路的運行效率,還加入了一個吸收回路,其作用是針對在開關(guān)管開關(guān)過程中所造成的損耗,將其損耗將至最低。而在電路運行的過程中,還可能會出現(xiàn)由于波動等問題導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)定的情況,所以在電路輸出端加入一個反饋回路,其自動將輸出電壓進行分析并與標(biāo)準(zhǔn)電壓比較,然后通過分析控制PWM的占空比,對開關(guān)管的開與關(guān)進行控制,繼而保證電壓可平穩(wěn)的輸出。EMI濾波電路是整個電路中較為重要的一環(huán),該濾波電路共有5個端口,分別為兩個輸入、輸出端口以及一個接地端口,其中接地端口的外殼在電路運行時要與地接通。電路中包括共模扼流圈L、濾波電容C1~C4,雖然共模電感對差模信號沒有作用,但其可較好地抑制共模干擾。耦合后的共模電感可增加電感量,這是因其磁通方向一致,繼而共模電感會產(chǎn)生較大的感抗,對通過的共模信號進行截斷作用。扼流圈可承受的電感量大小是系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵,為使其可承受更大的電流,本文可增加共模圈的半徑,尤其是當(dāng)流過的電流較大時,其另一個優(yōu)點則是可大幅增強低頻衰減的特性。共模濾波器的作用是將線路與外部條件所產(chǎn)生的噪聲進行過濾,工作原理是濾波器中“變壓器”的繞組同相,但流過變壓器的電流則與繞組方向相反。因此,相反方向上的兩個電流在濾波器產(chǎn)生的交流磁感可相互消除。

高頻變壓器是設(shè)計的核心,在此輸出型開關(guān)電源中額外拓展的結(jié)構(gòu)較多,以半橋式功率轉(zhuǎn)換電路為例,在運行時開關(guān)管進行相互的導(dǎo)通直到會生成頻率較高的脈沖波,再經(jīng)過高頻變壓器對電壓進行轉(zhuǎn)換,最后會將不同的交流電壓輸出,而最終輸出電壓值的大小由變壓器中線圈的比例來決定。半橋式變壓電路是由3只高頻變壓器組成,這3只變壓器每一種的衡量標(biāo)準(zhǔn)均各不相同,這體現(xiàn)在磁芯直徑的要求上,磁芯直徑≥30 mm的情況是主變壓器的功率在300 W以上時;但若直徑15 mm則將是功率低于300 W時。變壓器的原理較為簡單,其是一種變換電壓、電流以及阻抗的工作器件,在初級的線圈中有交流的電流通過時,在磁芯(鐵芯)中會產(chǎn)生交流磁通,可使次級的線圈感應(yīng)到電壓或電流;而變壓器是由線圈和磁芯組成,線圈有兩個繞組,其中與電源相接的一個繞組稱為初級線圈,其余繞組則稱為次級線圈。其在系統(tǒng)中之所以重要,是因為被主要使用在高頻率的開關(guān)電源上作為這一電源的變壓器;此外,功率器件的選擇也較為關(guān)鍵,通常若功率較大時,器件選擇IGBT,但因IGBT可能會發(fā)生關(guān)斷電流的滯留問題,繼而導(dǎo)致影響其的工作頻率。因此,若傳送的功率較小時,可采用MOSFET,此時其的工作頻率相比之前將有明顯提升。

4 仿真分析

文中使用Saber軟件,對所設(shè)計的電路進行仿真,并對電路分別進行DC、AC、數(shù)據(jù)、誤差等分析。通過仿真,可在軟件上直觀有效地觀察到系統(tǒng)中各個模塊的測試數(shù)據(jù),為使用者提供了更為有效地參考,也為電路的改進起到了關(guān)鍵作用。影響輸出電壓穩(wěn)定性最主要的原因就是電源中開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)及時間,為保證穩(wěn)定性在仿真過程中,使導(dǎo)通的過程保持順利,并將誤差降到最小,必須加強對芯片輸出電壓的控制。圖4為所設(shè)計電路的占空比,將輸出電壓設(shè)置為約15 V,并將此輸出電壓作為驅(qū)動電壓,從而得到占空比約為0.43。從中可看到,矩形波最上端的細(xì)小凹凸表示芯片輸出端峰值電流的電阻大小有待調(diào)整。此電路的主要輸出為偏置電路,其不僅為主控制芯片提供電壓,保證電路正常運行,還連接回路中的分壓電阻,確保電路可穩(wěn)定的進行工作。通過觀察可發(fā)現(xiàn),偏置電路輸出的電壓波形,可約在1.5 ms時達(dá)到預(yù)算效果,同時可使其始終處于約16.997 V這一穩(wěn)定狀態(tài)。最終,將結(jié)果同之前的電壓進行對比后發(fā)現(xiàn),誤差0.3%。

5 結(jié)束語

文中設(shè)計了一款基于UC3842的多路輸出型開關(guān)電源,實現(xiàn)了±5 V、±12 V的多路電壓輸出。(1)對系統(tǒng)進行試驗分析,將系統(tǒng)中各個器件的數(shù)據(jù)均做出了運算。(2)對電源的設(shè)計指標(biāo)及整體結(jié)構(gòu)進行確定,依據(jù)要求的基本原則對整體框架做出設(shè)計后,并對每個模塊也進行了相應(yīng)設(shè)計,其中包括EMI濾波電路、整流濾波電路、控制電路以及高頻變壓器設(shè)計等。(3)針對每個模塊的應(yīng)用要求、工作原理和所能達(dá)到的效果等進行了分析與計算,并與之前相關(guān)的設(shè)計經(jīng)驗進行比較,選擇出了最適當(dāng)?shù)钠骷?,得到了最終的設(shè)計原理圖。(4)利用Saber軟件進行仿真,對電路的各個運行過程進行實驗驗證,通過計算與分析電路產(chǎn)生的波形與參數(shù)得到的結(jié)果可發(fā)現(xiàn),此開關(guān)電源各路輸出穩(wěn)定,誤差1%(±12 V)、2%(±5 V);且工作效率也得到了大幅提升,達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求。

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