多路隔離輸出的車載輔助電源設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種多路隔離輸出的車載輔助電源．采用UC3842控制芯片的多路輸出反激變換器。結(jié)合試驗(yàn)樣機(jī)和試驗(yàn)結(jié)果，分析了電路的工作特點(diǎn)、變壓器的設(shè)計(jì)要求。該變換器的效率高、體積小、具有過載與短路保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：反激變換器；連續(xù)工作模式；斷續(xù)工作模式；輔助開關(guān)電源

O 引言
    反激變換器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、輸入輸出電氣隔離、電壓調(diào)節(jié)范圍寬、易于多路輸出等特點(diǎn)，因而適合于電力電子設(shè)備內(nèi)的輔助開關(guān)電源。本文所設(shè)計(jì)的開關(guān)電源系統(tǒng)是一種小型車載電源，通過蓄電池供電，為車內(nèi)的主控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等提供所需的輔助電源，此電源具有多組隔離輸出、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、成本低廉等特點(diǎn)。

    開關(guān)電源的控制電路可分為電壓控制型和電流控制型，前者是一個(gè)單閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)，系統(tǒng)響應(yīng)慢，很難達(dá)到較高的電壓調(diào)整率；后者是一個(gè)電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，較電壓控制型有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。因此，本文所設(shè)計(jì)的電源選擇了UC3842電流型控制器作為隔離開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心。

1 UC3842 PWM控制器簡介
    UC3842是一種高性能的固定頻率電流型控制器，單端輸出，可直接驅(qū)動(dòng)MOSFET，具有管腳數(shù)量少、外圍電路簡單、安裝與調(diào)試簡便、性能優(yōu)良、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。通過高頻變壓器與供電電源隔離，非常適于20～50W的小功率的輔助電源，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖l所示。它具有兩個(gè)控制環(huán)路，一個(gè)是輸出電壓反饋誤差放大器，用于同基準(zhǔn)電壓比較后產(chǎn)生誤差電壓；另一個(gè)是變壓器原邊中的電流在采樣電阻上產(chǎn)生的電壓與誤差電壓進(jìn)行比較調(diào)節(jié)調(diào)制脈沖的寬度，這些都是在時(shí)鐘所限定的固定頻率下工作。其主要特點(diǎn)如下。

    1)良好的負(fù)載調(diào)整率 因?yàn)檎`差放大器可專門用于控制由于負(fù)載變化造成的輸出電壓變化。
    2)電壓調(diào)整率好，可達(dá)到0 01％／V 這是由于輸入電壓的變化可立即反映為變壓器原邊電流的變化，它不經(jīng)過任何誤差放大器就能在比較器中改變輸出脈沖寬度，再加上一級(jí)輸出電壓至誤差放大器控制，能夠使電壓調(diào)整率更好。
    3)過流保護(hù)電路的簡化由于采樣電阻上的信號(hào)對(duì)應(yīng)變壓器原邊電流的峰值，所以形成逐個(gè)脈沖限流電路，只要采樣電阻上電壓達(dá)到1V，脈寬調(diào)制器就立即關(guān)閉，而這種峰值電流檢測(cè)技術(shù)可以靈敏地、精確地限制輸出的最大電流。
    4)誤差放大器補(bǔ)償電路簡單，穩(wěn)定度提高并改善了頻率響應(yīng)這是由于采樣電阻上檢測(cè)的峰值電流值能代表其平均值大小，整個(gè)電路可以看作一個(gè)誤差電壓控制源，變換器由雙極點(diǎn)變?yōu)閱螛O點(diǎn)。
    5)采用電流環(huán)的自動(dòng)穩(wěn)流電流峰值控制可改善開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和瞬態(tài)特性，當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)影響時(shí)，只要被檢測(cè)的電流發(fā)生變化，就立即反映到控制電路中，使之自動(dòng)調(diào)節(jié)，而不會(huì)象單環(huán)調(diào)壓系統(tǒng)那樣要等輸出電壓發(fā)生變化后，才調(diào)節(jié)控制端，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)很好地提高了穩(wěn)壓電源的響應(yīng)速度。
    6)欠壓鎖定電路其開啟電壓為16V，關(guān)閉電壓為10V,UC3842的電源可以由高壓直流電通過一個(gè)降壓電阻來提供，6V的啟動(dòng)關(guān)閉電壓回差可以有效地防止電路在閾值電壓附近工作時(shí)的振蕩：在UC3842的輸入端設(shè)有一個(gè)36V齊納管，保證內(nèi)部電路絕對(duì)工作在36V以下，防止可能高壓帶來的損壞。
    7)圖騰柱式輸出 UC3842輸出給開關(guān)管的平均電流為±200mA，最大峰值電流可達(dá)l.OA，輸出低電平為1．6V，輸出高電平為13．4V，故適合驅(qū)動(dòng)雙極晶體管或者M(jìn)OSFET。芯片內(nèi)部設(shè)置有PWM鎖存器，可保證輸出端在每個(gè)振蕩周期內(nèi)僅出現(xiàn)一個(gè)單控制脈沖，防止噪聲干擾和功率管的超功耗。

2 電路設(shè)計(jì)
    本文設(shè)計(jì)的多路輸出反激變換器，輸人為24V鉛酸蓄電池，直流輸出有4路(+14．5V×2、+5V、一14 5V)，一路交流母線方式輸出(14 5V)，可以擴(kuò)展多路隔離輸出。設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

2.l 啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)
    由R11、C7、C8組成芯片啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，由蓄電池直流電提供給芯片腳7大于16V的電壓，使得UC3842開始正常工作。

2．2工作頻率設(shè)定
    UC3842的工作頻率由式(1)設(shè)定，即

   
    式中：R為腳4與腳8間電阻，CT為腳4接地電容。
    UC3842的工作頻率很寬，最高工作頻率為500kHz。本設(shè)計(jì)?。篟T=43 kΩ,CT=lnF；則fs=42kHz。

2．3 高頻變壓器的設(shè)計(jì)
    高頻變壓器具有儲(chǔ)能、隔離的作用，所以在反激變換器設(shè)計(jì)中，變壓器的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。在磁芯大小、原邊電感值、氣隙大小、原邊線圈的匝數(shù)以及各個(gè)耦合繞組的繞法等問題都需要仔細(xì)計(jì)算和考慮。為了減少變壓器的體積和降低損耗，一般采用高頻低耗的磁芯。高性能功率鐵氧體磁芯具有高初始磁導(dǎo)率μi、低矯頑力Hc、高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度鼠、低剩磁Bt、高電阻率p和高居里溫度θc，等優(yōu)點(diǎn)。磁導(dǎo)率高，則變壓器工作時(shí)勵(lì)磁電流就??；矯頑力低，則磁滯損耗比較?。伙柡痛鸥袘?yīng)強(qiáng)度高、剩磁低，則變壓器工作時(shí)磁通變化范圍可以較大，相應(yīng)減小了變壓器的體積；電阻率高，則高頻工作時(shí)渦流損耗比較??；居里溫度高，變壓器工作溫度可以相應(yīng)提高。但是，以上各項(xiàng)要求在同一種磁性材料中不可能同時(shí)得到滿足，要視具體應(yīng)用進(jìn)行選擇。

    本設(shè)計(jì)選用國產(chǎn)NCD LP2材料的鐵氧體磁芯，它主要適用于20～150 kHz的中高頻開關(guān)電源中，在此頻率范圍內(nèi)材料具有很低的磁芯損耗，且損耗呈負(fù)溫度系數(shù)，因而可有效抑制變雎器的溫升。EER28型磁芯外形如圖3所示，外形尺寸如表l所列，性能如表2所列。

    在磁芯里增加氣隙有兩個(gè)作用：一是使得磁滯回線傾斜，可以降低磁導(dǎo)率，以便在選擇一定線圈匝數(shù)時(shí)，可以得到所設(shè)計(jì)的變壓器的電感值；二是可以在增大線圈電流值的情況下磁芯也不易飽和。變壓器原邊電感是個(gè)很重要的參數(shù)，它的值贏接影響整個(gè)電源的性能，原邊線圈的導(dǎo)線應(yīng)盡可能粗，這樣可以有效地減少集膚效應(yīng)。所加的氣隙不能太小，否則磁芯易飽和；同時(shí)也不能太大，否則將引起原邊漏感增大而致使線圈發(fā)熱，增大損耗。
 
    反激變壓器的各個(gè)參數(shù)的設(shè)計(jì)如下。

    首先確定輸出功率，設(shè)定工作的占空比(此處取O．33)。在確定工作頻率的基礎(chǔ)上可得輸出功率Po為

   
式中：Lp為變壓器原邊電感值；
    Ipk為原邊電感電流峰值。
    變換器工作在斷續(xù)狀態(tài)模式，則有

   
式中：為最大占空比)為開通時(shí)間；

    Vin為原邊輸入電壓值。
 
   由式(2)和(3)可得
   
    因?yàn)檩敵鲭妷簽橐环讲?，一個(gè)導(dǎo)通周期的伏秒特性與原邊匝數(shù)的關(guān)系為

   
    式中：Bw為變壓器磁芯的工作磁通密度，對(duì)于磁芯工作磁通密度，一般由飽和值Bs決定，取值稍低于磁化曲線的拐點(diǎn)，Bw取值過高則易使得磁芯飽和，取值過低則降低變壓器的利用率，此處取Bw=O．6Bs；

    Ae為變壓器磁芯的有效截面積。

    對(duì)于二次側(cè)的各個(gè)繞組按輸入最低電壓Vin-min和最大占空比計(jì)算，則

   
式中：Voi為輸出支路電壓；
    VD為二次側(cè)整流二極管壓降；
    VL為繞組壓降，可忽略不計(jì)；
    Ni為相應(yīng)輸出支路的匝數(shù)。

    在不考慮邊緣磁通和磁芯磁阻的前提下，變壓器磁芯氣隙長度由式(7)確定，即

   
    根據(jù)所設(shè)計(jì)電路：Po=20 W，Vin=24～26V，fs=42 kHz，Dmax=O．33，采樣電阻Rs=0．125Ω的要求；可以計(jì)算出Ipk=5 A，Lp=38μH，ιg=0．46mm，N1=13，N2=17(+14．5 V反饋支路)，N3=17(一14．5 V支路)，N4=17(單路+14 5V)，N5=7(單路+5V)，N6=17(14.5 V交流母線)。變壓器原邊用#26AWG漆包線(兩股)，副邊均采用單股#26AWG漆包線。

2.4 緩沖保護(hù)電路的設(shè)計(jì)
    在所設(shè)計(jì)的電路中Rl0、D3、C4組成的緩沖保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，可以有效地防止功率開關(guān)管關(guān)斷過程中承受大的反壓。

    由式(8)可得各個(gè)參數(shù)的具體數(shù)值。
   

式中：VDS是MOSFET的漏源極間的最大電壓值；
    Is是漏極最大電流值。
    此電路中VDS=42V，Is=5 A，由此可得R10=30Ω，C4=68 nF，PR10=3W 。

3 試驗(yàn)分析
    基于以上的設(shè)計(jì)步驟，研制了試驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)。圖4中分別為反激變換器工作在斷續(xù)模式(DCM)下的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形、vDS電壓波形和采樣電阻上的波形。

    由圖4可知，在開關(guān)管上加上緩沖保護(hù)電路后，使得開關(guān)管所承受的應(yīng)力大大減小，vDS。的波形更加趨近于理想情況，很好地起到了對(duì)開關(guān)管的保護(hù)作用。

    圖5中分別為反激變換器工作在連續(xù)模型(CCM)下的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形、vDS電壓波形和采樣電阻上的波形。

    由圖5可知，變壓器原邊電流的上升率在兩種工作狀態(tài)下是一致的，可以看到在額定負(fù)載和輕載下電路自身的調(diào)節(jié)作用的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
 
    電壓調(diào)整率的測(cè)試結(jié)果如表3所列，所設(shè)計(jì)的反激變換器在不同的負(fù)載條件下，反饋支路輸出電壓的變化率控制在1．5％以內(nèi)，為所需供電設(shè)備提供了優(yōu)良的穩(wěn)壓電源。

    如表4所列，當(dāng)電路工作在輸入電壓24V額定功率時(shí)，測(cè)得變換器的效率為83．9％，很好地達(dá)到了高效率的要求。

　

4 結(jié)語
    本文提供了一種小型車用輔助電源的設(shè)計(jì)思路，由多路輸出反激變換器為車內(nèi)各個(gè)設(shè)備提供所需的電源，詳細(xì)地介紹了UC3842的工作原理以及電路各個(gè)參數(shù)的設(shè)計(jì)原則。通過試驗(yàn)樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了多路隔離輸出的小型車用輔助電源，試驗(yàn)結(jié)果顯示，它是一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制器，適合于小型的開關(guān)電源設(shè)計(jì)。