基于UC1842的高可靠低紋波多路輸出開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

楊紅梅，張 偉，趙建泉

（1.廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300381）

0 引 言

開關(guān)電源是一種新式電能變換技術(shù)，由于其具有體積小、重量輕、耗能低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)通信、航空航天、儀器儀表、自動(dòng)化、醫(yī)療機(jī)械、家用電器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。根據(jù)對(duì)開關(guān)電源的各種拓?fù)浜涂刂品绞降募夹g(shù)要求，工程實(shí)際的實(shí)現(xiàn)難易，電器性能及成本等指標(biāo)的總結(jié)，本文應(yīng)用雙環(huán)控制原理，采用電流控制型脈寬調(diào)制芯片UC1842，通過反激式電源拓?fù)鋪?lái)實(shí)現(xiàn)這款高可靠低紋波多路輸出的開關(guān)電源。

1 電流型PWM開關(guān)電源介紹

脈寬調(diào)制（PWM）控制電路是開關(guān)電源的重要組成部分，其作用是產(chǎn)生PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)開關(guān)功率管工作于高速開關(guān)狀態(tài)。在開關(guān)頻率不變的情況下，改變占空比來(lái)調(diào)節(jié)電源前端到后端的電能量，實(shí)現(xiàn)DC－DC變換［1］。如圖1所示，通過調(diào)節(jié)開關(guān)管VT的占空比，即可調(diào)節(jié)變壓器初級(jí)繞組儲(chǔ)存電能量的多少，進(jìn)而調(diào)節(jié)變壓器T初級(jí)繞組傳遞到次級(jí)繞組的電能量，實(shí)現(xiàn)電源前端電能量傳遞到后端的電能量隨占空比變化而線性變化。

圖1 電流型PWM控制原理圖

現(xiàn)在PWM控制電路普遍采用單片集成PWM控制器，其型號(hào)較多，通常分為電壓型控制器和電流型控制器兩類，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)到較高的線性調(diào)整率；而電流型控制器是一個(gè)電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，較電壓控制型電路，具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)及較高的穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)逐脈沖比較，因此響應(yīng)速度較快［2］。電流型PWM控制時(shí)序圖如圖2所示。

電源輸出電壓Uo經(jīng)過反饋電路，將反映輸出電壓值大小的電壓信號(hào)反饋至誤差放大器負(fù)輸入端，通過與誤差放大器正輸入端的基準(zhǔn)電壓比較后，輸出一個(gè)動(dòng)態(tài)誤差信號(hào)Uy。誤差信號(hào)又與周期性電流采樣信號(hào)URs比較后輸出一個(gè)周期性的復(fù)位信號(hào)UR，UR與周期時(shí)鐘Us信號(hào)通過R－S觸發(fā)器后產(chǎn)生一個(gè)固定周期。占空比隨輸出電壓Uo與采樣電壓URs變化驅(qū)動(dòng)脈沖UQ。

圖2 電流型PWM控制時(shí)序圖

由于電流型PWM控制電路具有響應(yīng)速度快，工作穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，因此本論文實(shí)現(xiàn)的高可靠低紋波多路輸出開關(guān)電源采用UC1842作為開關(guān)電源的PWM控制器。UC1842是一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制器，它具有外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；具有過流、過壓及欠壓保護(hù)功能；具有電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制系統(tǒng)；具有工作穩(wěn)定，體積小，效率高，紋波小及適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)；所以非常適合本電源的設(shè)計(jì)要求。

2 電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

基于UC1842的多路輸出開關(guān)電源設(shè)計(jì)指標(biāo)：輸入電壓：DC48 V；

輸出三路電壓：U15 V/2 A、U29 V/0.7 A、U312 V/0.5 A；

輸出功率：23 W；

紋波峰峰值：≤40 mV；

負(fù)載調(diào)整率：≤1%；

電壓調(diào)整率：≤0.5%。

2.2 UC1842介紹

UC1842是高性能固定頻率電流型控制器，專為離線DC－DC變換器應(yīng)用而設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)人員提供只需最少外部元件就能獲得成本效益高的解決方案。此芯片具有頻率可調(diào)、能進(jìn)行精確的占空比控制、精準(zhǔn)5 V帶隙參考源、高增益誤差放大器、一體化電流取樣比較器、大電流圖騰柱輸出，可直接驅(qū)動(dòng)MOSFET開關(guān)管及具有過欠壓保護(hù)功能［4］。如圖3是基于UC1842的高可靠低紋波多路輸出開關(guān)電源原理圖，可見UC1842只需很少外圍器件就可實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的控制。UC1842引腳1為誤差放大器的補(bǔ)償電路引腳，相當(dāng)于圖1中Uy輸入端；引腳2為電壓反饋輸入端，相當(dāng)于圖1中Ux輸入端；3腳為電流采樣輸入端，相當(dāng)于圖1中URs輸入端；引腳4為振蕩器輸入端，相當(dāng)于圖1中US輸入端；引腳5為芯片供電地；引腳6為PWM脈沖輸出端；引腳7為芯片供電端；引腳8為5 V基準(zhǔn)電壓輸出端。

2.3 電源工作原理說(shuō)明

輸入直流48 V電壓經(jīng)過C1、L1及C2組成的濾波器，濾除48 V電壓中噪聲后，經(jīng)過大電容C4的濾波，在變壓器初級(jí)繞組端形成穩(wěn)定的直流電壓。通過UC1842控制的MOSFET開關(guān)管周期性的開通關(guān)閉，將變壓器初級(jí)繞組端的電能傳遞到變壓器二次繞組端，開關(guān)管每個(gè)周期開通時(shí)間長(zhǎng)，傳遞到后端電能就多，反之開關(guān)管每個(gè)周期開通時(shí)間短，傳遞到后端的電能就少。圖3中光耦器件PS2501，TL431組成了本電源的反饋控制電路，而沒有采用圖1中電阻分壓的方式，目的是為了隔離輸入輸出端，提高電源可靠性［3］。當(dāng)輸出5 V電壓U0發(fā)生波動(dòng)時(shí)，通過取樣電阻R15、R16分壓后，就使TL431上的光耦輸入電流If產(chǎn)生相應(yīng)的變化，進(jìn)而使PS2501中光敏三極管輸出電流Ic改變，由于光敏三極管集電級(jí)連接在UC1842的8引腳，即5 V基準(zhǔn)電壓，因此Ic的改變將使UC1842的引腳2處，即電壓反饋端電壓發(fā)生變化，同時(shí)由于采樣電阻R10處，電流的變化將使UC1842的引腳3處的即電流采樣端電壓發(fā)生變化。通過UC1842引腳2處電壓采樣和引腳3處電流采樣隨輸出電壓與輸出電能的變化，將使UC1842的6引腳輸出占空比變化的驅(qū)動(dòng)脈沖，這樣就實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源的雙環(huán)控制。

圖3電源原理圖中R3與C7組成了圖1中所示的補(bǔ)償電路。R2、C5與D2組成了RCD吸收電路，此電路的功能是吸收因變壓器初級(jí)繞組在工作時(shí)產(chǎn)生的自感電勢(shì)，避免在開關(guān)管集電極截止瞬間出現(xiàn)過高的反峰高電壓損壞開關(guān)管而設(shè)置的。RT為熱敏電阻，防止電源帶重載時(shí)啟動(dòng)電流過大而設(shè)置的。R1是UC1842的啟動(dòng)電阻，在電源啟動(dòng)瞬間，給UC1842提供16 V電壓及1 mA的啟動(dòng)電流，之后由變壓器供電繞組經(jīng)過D3整流C6濾波，給UC1842供電。本電路采用單端反激拓?fù)?，是一種比較成熟的電源變換電路，變壓器既作為隔離器件，又作為儲(chǔ)能器件。

為了降低反激電源尖峰大的特點(diǎn)，特選用漏感小的RM型變壓器，初級(jí)線圈電感量制作在350μH，供電繞組電感量制作在150μH，副繞組1、2及3電感量分別制作為27μH、90μH及140μH。上述電感值根據(jù)不同廠家磁芯會(huì)略有不同，可適當(dāng)調(diào)整。在繞制變壓器時(shí)，供電組要繞在變壓器骨架外圈，初級(jí)繞組均分兩組，一組在內(nèi)，一組在外，可防止磁通飽和，影響電源工作。變壓器副繞組2和副繞組3分別通過D5和D6整流及C11和C14濾波后輸出脈動(dòng)的直流電壓，脈動(dòng)的直流電壓經(jīng)過三端穩(wěn)壓器件后可輸出穩(wěn)定的直流電壓。由于三端穩(wěn)壓器件是線性穩(wěn)壓器件，因此輸出的電壓紋波非常小，經(jīng)過實(shí)測(cè)小于20 mV，電源5 V輸出端紋波電壓小于40 mV。紋波測(cè)試采用示波器20 MHz帶寬，交流耦合方式，雙絞線引出法測(cè)試，波形見圖4中（a），（b）圖所示。

圖3 基于UC1842的高可靠低紋波多路輸出開關(guān)電源原理圖

2.4 開關(guān)電源波形圖

圖4（a）為開關(guān)電源中9 V與12 V輸出回路的紋波測(cè)試圖，從圖中可看出紋波小于20 mV，設(shè)計(jì)此回路時(shí)，三端穩(wěn)壓器件輸入端電壓要高輸出電壓1.7 V以上2.5 V以下。對(duì)比圖4（b）5 V輸出回路紋波測(cè)試，可以明顯看出，線性穩(wěn)壓器較開關(guān)電源具有較低的紋波，由于設(shè)計(jì)的變壓器采用RM型低漏感磁芯及RCD電路做處理，仍然使5 V電壓回路輸出紋波小于40 mV。

圖4 實(shí)測(cè)電源關(guān)鍵波形圖

圖4（c）是UC1842的6引腳輸出的PWM驅(qū)動(dòng)波形。圖4（d）為此電源空載時(shí)，開關(guān)管漏極和源級(jí)兩點(diǎn)的輸出波形圖。圖4（e）為此電源半載時(shí)，開關(guān)管漏極和源級(jí)兩點(diǎn)的輸出波形圖。圖4（f）為此電源滿載時(shí)，開關(guān)管漏極和源級(jí)兩點(diǎn)的輸出波形圖，可以看出當(dāng)負(fù)載從小變大時(shí)，PWM波形的周期沒變，而占空比變大，圖中示波器波形圖顯示了橫縱坐標(biāo)參數(shù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)圖3原理圖，進(jìn)行了此電源設(shè)計(jì)并制作了電路板，經(jīng)過老化、實(shí)際測(cè)試及應(yīng)用，性能表現(xiàn)穩(wěn)定。表1是在空載、半載及全載時(shí)所測(cè)得5 V、9 V及12 V三路輸出電壓值。

表1 開關(guān)電源測(cè)試數(shù)據(jù)表

此電源電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定，通過實(shí)際測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，尤其紋波電壓小于40mV，因此可用于軍用、醫(yī)療及通信等高端電源系統(tǒng)中。

［1］ 張 偉.數(shù)字化電源控制器平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.天津：河北工業(yè)大學(xué)，2011.

［2］ 漆逢吉.通信電源系統(tǒng)［M］.北京：人民郵電出版社，2008.

［3］ Christophe Basso.開關(guān)電源環(huán)路中的 TL431［J］.電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2009，7：97－102.

［4］ UC1842DATASHEET Manual［EB/OL］.http：//www.TI.com，2005.