基于UC3845的非隔離反激式輸出可調(diào)開關(guān)電源設(shè)計(jì)

　　開關(guān)電源具有功耗小，效率高，穩(wěn)壓范圍寬，體積小等優(yōu)點(diǎn)，在通信設(shè)備、家用電器、儀器儀表等電子電路中應(yīng)用廣泛。本文設(shè)計(jì)的開關(guān)電源要求只有一組輸出電壓，輸出電壓調(diào)節(jié)范圍在25～36 V之間，輸出電壓紋波不超過0.8 V，輸出最大功率不低于70 W。在開關(guān)電源的各種典型結(jié)構(gòu)中，反激式開關(guān)電源硬件電路簡單，輸出電壓既可高于輸入電壓，又可低于輸入電壓，非常適合用于輸出功率在200 W以下的開關(guān)電路。因此設(shè)計(jì)方案采用了非隔離式反激變換器構(gòu)成開關(guān)電路，選用電流模式控制芯片UC3845為功率開關(guān)管提供驅(qū)動電流，實(shí)現(xiàn)寬幅穩(wěn)壓和高效轉(zhuǎn)換的功能。

　　1 非隔離反激式變換器電路原理

　　反激式變換器有兩種不同形式，非隔離反激式變換器(見圖1)和隔離反激式變換器(見圖2)。非隔離反激式變換器只有一個輸出電壓，適合于只有一組輸出且不用隔離的電源，變換器只需要處理一個繞組電感。隔離反激式變換器可以在變壓器次級有多個繞組，方便地輸出多組與輸入電壓隔離的輸出電壓，并且可以通過調(diào)節(jié)變壓器的變比得到大小不同的輸出電壓。但與非隔離反激式變換器相比，多個繞組的變壓器磁芯元件將是電源設(shè)計(jì)中的一大關(guān)鍵。

　　對于非隔離反激式變換器，輸出電壓和輸入電壓沒有隔離，輸出電壓不低于輸入電壓。在一個開關(guān)周期內(nèi)，開關(guān)導(dǎo)通時，電壓加在電感上，電流以某斜率上升，并儲存能量在電感中;當(dāng)開關(guān)關(guān)斷的時候，電感電流經(jīng)過二極管放電。

　　2 UC3845工作原理介紹

　　UC3845是安森美半導(dǎo)體公司的高性能固定頻率電流模式控制器。該控制器是專為離線和DC-DC變換器應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，它可以使設(shè)計(jì)者使用最少的外部元件即而獲得高成本效益的解決方案。UC3845具有高達(dá)500 kHz的開關(guān)頻率、大圖騰柱輸出電流等特性，是開關(guān)電源電路中驅(qū)動功率MOSFET管的理想器件。

　　UC3845芯片具有雙列直插8管腳塑料封裝以及14管腳塑料表面貼封裝兩種形式，芯片內(nèi)部電路具有振蕩器、高增益誤差放大器、電流取樣比較器、PWM所存電路、5 V基準(zhǔn)電路、欠壓鎖定電路和電流圖騰柱輸出電路等，如圖3所示。

　　(1)5 V基準(zhǔn)電路。該部分電路由芯片工作電壓欠壓鎖定提供，作為芯片內(nèi)部電源，經(jīng)分壓衰減得到2.5 V作為誤差放大器的比較基準(zhǔn);另外基準(zhǔn)電路也提供5 V參考電壓給第8(14)管腳。

　　(2)振蕩器。振蕩器電路產(chǎn)生方波振蕩，振蕩頻率最大為1 MHz，由管腳4(7)與管腳8(14)之間的RT以及管腳4(7)與GND之間連接的CT決定。計(jì)算公式推導(dǎo)如下：

　　fosc=k/(RTCT) (1)

　　UC3845在RT=10 kΩ，CT=3.3 nF時，振蕩頻率fosc=52 kHz。代入式(1)，得到k=1.72。

　　因此，UC3845芯片的振蕩電路頻率表達(dá)式可以表示如下：

　　fosc=1.72/(RTCT) (2)

　　(3)高增益誤差放大器。UC3845內(nèi)部提供一個可訪問反相輸入和輸出的全補(bǔ)償誤差放大器。由電壓反饋端2(3)管腳輸入的反饋電壓與2.5 V進(jìn)行比較，產(chǎn)生的誤差電壓用于調(diào)節(jié)脈沖寬度。該誤差電壓經(jīng)1管腳輸出接RC網(wǎng)絡(luò)，用于改變增益和頻率特性進(jìn)行外部回路補(bǔ)償。

　　(4)電流取樣比較器。電感電流通過與輸出開關(guān)Q1源極串聯(lián)的參考取樣電阻R轉(zhuǎn)換成電壓。此電壓有電流取樣輸入管腳3(5)監(jiān)視，并與來自誤差放大器的輸出電平進(jìn)行比較。當(dāng)取樣電壓大于1 V時，輸出脈沖關(guān)閉，使開關(guān)管關(guān)斷，起到過流保護(hù)的作用。為了抑制電流波形前的尖脈沖，通常在電流取樣輸入管腳與取樣電阻之間增加RC濾波器消除尖脈沖引起的不穩(wěn)定性。RC濾波器的時間常數(shù)接近尖脈沖的持續(xù)時間。典型應(yīng)用電路如圖5所示。

　　(5)PWM鎖存電路。UC3845的電流取樣比較器和脈沖寬度鎖存電路配置可確保在任何給定的振蕩周期內(nèi)，輸出端僅有一個單脈沖輸出。即輸出端的每個控制脈沖不會超過一個振蕩周期，也就是所謂的逐脈沖控制。

　　(6)欠壓鎖定電路。UC3845采用兩個欠壓鎖定比較器，以保證在輸出級被驅(qū)動之前集成電路已經(jīng)工作。正電源電壓Vcc和參考輸出電壓Vref各自由分離的具有滯后特性的比較電路監(jiān)視，防止工作在各自門限值時出現(xiàn)錯誤輸出動作。Vcc比較器的上下門限分別為8.4 V和7.6 V;Vref比較器的上下門限為3.6 V和3.4 V。

　　(7)輸出電路。UC3845采用兩個NPN型晶體管連接的圖騰柱式輸出電路。晶體管A的集電極接電源Vcc，發(fā)射極接晶體管B的集電極，晶體管B的集電極接地。兩個晶體管的基極分別接前級控制，晶體管的連接處為輸出端。A管導(dǎo)通則B管截止，輸出高電平;B管導(dǎo)通A管截止，輸出低電平;兩管均截止時輸出為高阻狀態(tài)。

　　3 開關(guān)電源設(shè)計(jì)

　　3.1 開關(guān)電源系統(tǒng)組成

　　圖6所示開關(guān)電源電路可以很好地滿足設(shè)計(jì)要求。儲能元件L1、功率開關(guān)管Q1組成開關(guān)穩(wěn)壓器，UC3845構(gòu)成開關(guān)的電流控制電路。220 V電網(wǎng)電壓經(jīng)過交流變壓為18 V左右的交流信號U2，再經(jīng)過橋式整流、濾波、穩(wěn)壓后，為UC3845提供工作電壓。整流濾波后的直流電壓正極經(jīng)過L1接入開關(guān)管Q1的漏極。當(dāng)Q1導(dǎo)通時，輸入整流電壓經(jīng)L1，Q1漏源極、R7組成回路，輸入整流電壓全部加在L1兩端，從而使電能轉(zhuǎn)變?yōu)榇拍軆Υ嬗贚1。當(dāng)Q1截至?xí)r，L1產(chǎn)生的自感電勢與輸入整流電壓串聯(lián)連接，通過二極管D1向負(fù)載供電。Q1導(dǎo)通時間正比于L1存儲能量，因此通過UC3845控制功率開關(guān)管通斷占空比，可以使輸出電壓可控。

　　UC3845在電流控制電路中的工作過程如下：整流后的直流電壓經(jīng)過LM7812穩(wěn)壓后，為UC3845提供工作電壓。UC3845的6管腳經(jīng)過一個小隔離電阻R4輸出脈沖驅(qū)動功率開關(guān)管，功率開關(guān)管Q1導(dǎo)通，L1儲能;脈沖消失則Q1截止，L1釋放能量。管腳2的反饋電壓值取自分壓后的輸出電壓，反饋電壓值Ufb=，該值的變化可以改變UC3845輸出脈沖占空比，從而使輸出電壓穩(wěn)定。調(diào)整Ufb即可完成輸出電壓在一定范圍內(nèi)的輸出控制。Q1柵源極電流被R7取樣后，經(jīng)過R6和C12濾波，送入UC3845的電流取樣端口。該取樣信號作為開關(guān)管Q1的過流保護(hù)信號，當(dāng)電路異常，導(dǎo)致開關(guān)管導(dǎo)通時間過長，使Q1源極電流增大，電流取樣管腳的電壓升高而控制UC3845驅(qū)動電流脈沖占空比變小。當(dāng)管腳3的取樣電壓升高至1 V時，控制輸出脈沖持續(xù)截至，從而達(dá)到保護(hù)功率開關(guān)管的目的。Rt和Ct決定了UC3845的振蕩頻率，而功率管的開關(guān)頻率為芯片振蕩頻率的1/2。UC3845的誤差放大器輸出信號經(jīng)R9和C11濾波電路后對反饋環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償。

　　3.2 輸出紋波電壓控制措施

　　圖6所示開關(guān)電源電路給出了部分阻容元件參數(shù)，可以有效完成濾波以及降低輸出紋波電壓。橋式整流后的電流與地線之間以及輸出端與地線之間分別連接1 μF以及4 700μF的電容，有效濾除高頻噪聲和低頻干擾，降低輸出紋波電壓。UC3845的Vcc，Vref管腳和地線之間連接瓷介旁路電容(0.1 μF)的目的也是為了濾除高頻噪聲。

　　3.3 開關(guān)電源輸出可調(diào)控制系統(tǒng)

　　圖7給出開關(guān)電源在調(diào)試過程中通過CONTROL端連接的可調(diào)電阻VR1進(jìn)行輸出電壓控制與測試。在實(shí)際應(yīng)用中，連接圖8所示的控制系統(tǒng)進(jìn)行更精確的步進(jìn)式電壓控制以及電壓檢測與顯示。

　　圖8為軟件主程序流程圖以及中斷子程序流程圖。主程序首先對中斷寄存器、定時器、鍵盤、LCD、A/D、D/A控制口初始化，然后進(jìn)入A/D循環(huán)采樣，并使用LCD顯示采樣結(jié)果。中斷子程序?yàn)?051的INT0外部中斷處理程序，主要完成鍵盤掃描以及D/A輸出控制電壓。鍵盤輸入要顯示的開關(guān)電源電壓與D/A變換器輸出的控制電壓之間的關(guān)系通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)整VR1進(jìn)行測試得到相對應(yīng)的關(guān)系。

　　3.4 實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)分析

　　實(shí)驗(yàn)電路測試框圖如圖9所示示。將大功率滑線變阻器(100 W/1 kΩ)RL作為負(fù)載，串聯(lián)萬用表(DC/20 A)接入到輸出端;輸出電壓可調(diào)范圍為21～36.1 V，可通過鍵盤輸入21～36 V，步進(jìn)為1 V，則輸出端可輸出電壓為相應(yīng)的21～36 V;將大功率滑線變阻器(200 W/30 Ω)作為負(fù)載，串聯(lián)萬用表(DC/20 A)接入到輸出端，將UC3845的2管腳跳線接到可調(diào)電阻端，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻使輸出電壓最大;改變負(fù)載值，直到萬用表顯示電流達(dá)到2.2 A后一段時間，用手觸摸開關(guān)穩(wěn)壓電源的各大功率器件，發(fā)熱但是不燙手，則認(rèn)為該電源正常工作狀態(tài)下的輸出電流可以達(dá)到2.2 A;減小負(fù)載組值，同時監(jiān)測輸出電壓和輸出電流，可以看到過流降壓保護(hù)現(xiàn)象，動作電流為2.35 A。

　　輸出噪聲紋波峰峰值：使用示波器(AC，200 ms/div)測量負(fù)載兩端噪聲，得到Uopp<0.45 V;圖10為輸出最大值時的紋波以及輸出電壓圖(CH1：輸出紋波，CH2：輸出信號直流電壓);在Io=2 A，Uo=33.4 V的測試條件下，將萬用表(DC/20 A)串聯(lián)到L1線圈前，測量得到Ii= 3.65 A，Ui=20.1 V，則DC—DC變換器的效率η=UoIo/(UiIi)=91%;UC3845第4管腳處測得信號振蕩頻率為170.8 kHz，與按照式(2)推導(dǎo)的理論值172 kHz非常接近。因此在式(2)中，k值取1.72比有些教材中取k=1.8更合適。信號波形見圖11(CH1：振蕩器信號，CH2：輸出信號直流電壓)。

　　4 結(jié)語

　　介紹的非隔離反激式變換器也稱為升壓變換器(Boost電路)。該開關(guān)電源經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，輸出電壓調(diào)節(jié)靈活，DC-DC轉(zhuǎn)換效率高達(dá)91%，輸出紋波電壓小于0.45 V。論文給出了開關(guān)電源的詳細(xì)電路圖以及部分阻容元件參數(shù)，修正了振蕩器頻率參數(shù)，提供了電路的調(diào)測方