星用基于UC1845多路輸出雙管反激開關電源設計

摘 要： 為了解決航天器DC/DC變換器高壓輸入多路輸出時，開關管電壓應力以及多路輸出穩定度問題，設計了一種基于UC1845的多路輸出雙管反激開關電源。主電路采用雙管反激式變換器，使主開關管上的電壓應力僅為輸入電壓Vin，滿足航天器高可靠性的應用需求；同時電路采用磁隔離反饋穩壓控制，通過一個反饋控制量實現多路輸出，輸出端配合應用低壓差三端穩壓器，各路輸出負載穩定度優于±1%。控制電路采用電流型控制器UC1845，其具有電壓調整率高、負載調整率高和瞬態響應快等優點。實驗結果表明，該電源安全可靠、穩定性好、紋波小、效率高，達到了設計要求。

關鍵字： 開關電源； 雙管反激； UC1845； 多路輸出

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）02?0159?04

0 引 言

隨著器件、工藝水平的飛速發展 ，開關型功率變換器已發展成高效、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）也采用該項技術。主要原因是衛星電子設備對電源的效率、重量、體積和可靠性的要求越來越高，而傳統的線性電源方案幾乎無法滿足飛行器系統的需要。在各種類型的DC/DC變換器中，PWM型DC/DC變換器因結構種類多，技術領先，便于實現，已經得到廣泛應用[1]。

在航天應用領域開關電源的多種拓撲中，可用于100 V高壓母線輸入多路輸出的開關電源，大多數采用的是兩級式變換器，如Buck+推挽兩級式變換器，先通過Buck電路將母線電壓降壓，這樣母線電壓要經過二次調整，使電壓調整率降低；再從器件數量上來說，兩級拓撲，功率開關管至少需要3個，電源體積大且功率密度低，從整體分析不是很理想；而對于可以承受高壓輸入的雙管正激開關電源來說，電路結構相對簡單，但其不適合用于多路輸出的場合，輸出交叉調整率較低，穩定度差；適合用于中小功率多路輸出DC?DC變換器的電路拓撲還有是單管反激電路，其電路結構簡單，成本低，但在高輸入電壓場合中單管反激電路主開關管的電壓應力非常高，選用200 V耐壓的MOSFET管根本無法滿足Ⅰ級降額的要求，如果選用更高耐壓的MOSFET管，由于其導通電阻更高，勢必影響電源的轉換效率，同時還可能帶來真空環境下的低氣壓放電問題。

因此為了克服以上所提到的問題，本文設計了一種星上用基于UC1845的多路輸出雙管反激開關電源，很適合應用于高壓100 V母線輸入、多路輸出場合。對于雙管反激開關電源，首先，其電路拓撲簡單，輸入輸出電氣隔離升/降壓范圍廣，具有輸出多路負載自動均衡等優點；其次，由于航天電源對可靠性的要求，所有器件必須滿足一級降額標準，在雙管反激變換電路中，當功率管關斷時，變壓器漏感電流可通過續流二極管反饋給電源同時將開關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力和輸入電壓相等，使選管的范圍擴大，可靠性提高；再次，雙管反激開關電源電路漏感能量可以回饋到輸入側，無須增加任何吸收電路，因而轉換效率也比單管反激電路高。因此將其運用于航天器高壓輸入多路輸出場合，優勢很大，具有實際的工程應用價值。

1 系統設計圖

系統設計框圖如圖1所示。

2 雙管反激拓撲結構

雙管反激拓撲結構如圖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。兩個開關管同時導通和關斷，當它們導通時，所有初級和次級的同名端為正，此時次級VD3反偏，次級無電流流通，初級繞組儲存能量；當它們關斷時，存儲于勵磁電感上的電流使所有繞組電壓極性反向，VD3正偏，勵磁電感中儲存的能量被傳輸到負載，而此時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的源極電壓不會超過U1，VT2的漏極電壓也不會超過U1。漏感尖峰被鉗位，使任一開關管的最大電壓應力都不會超過最大直流輸入電壓。

雙管反激變換器還有一個顯著的優點是沒有漏感能量消耗。開關管導通時，存儲于漏感中的所有能量不是消耗于電阻元件或功率開關管內，而是在開關管關斷時通過VT1和VT2回饋[2]給U1。漏感電流從LP的異名端流出，經VD1流入U1的正極，然后從其負極流出，經VD2返回LP的同名端，使漏感能量能回饋到輸入側，提高了整機的轉換效率。

在航天電源中，對于高壓100 V母線輸入電源，雙管反激開關電源便顯示出極大的優勢。

3 UC1845控制電路

UC1845是由Texas Instruments公司生產的電流控制型PWM控制器，該芯片電路開關頻率可調節，具有電流反饋和電壓反饋雙環控制的特點，電壓調整率和負載調整率高。其內部功能模塊框圖如圖3所示。圖3中，UC1845主要包括：5.0 V基準電壓源，高增益的誤差放大器，電流比較器，RS觸發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，用于環路補償；腳2是誤差放大器的反相輸入，通常通過一個電阻分壓器連至開關電源輸出，起電壓反饋作用，調整輸出的占空比，從而穩定輸出電壓；腳3為電流取樣引腳，脈寬調制器使用此信息終止輸出開關的導通，保護開關管，避免過流損壞；腳4用于定時，通過時間電阻RT，連接至參考輸出引腳8以及時間電容CT連接至地，使振蕩器頻率和最大輸出占空比可調，振蕩頻率為f=[1.72RTCT]；腳5是控制電路和電源的公共地；腳6是輸出驅動開關管的方波引腳.為圖騰柱式輸出，可直接驅動功率管MOSFET的柵極；腳7是控制集成電路的正電源（VCC）啟動電壓為8.4 V，最大輸出電流可以達到1 A，適合驅動MOSFET以及適用于中小功率的DC/DC開關電源；腳8是內部基準電壓源產生5.0 V基準電壓，作為UC1845內部電源，經衰減得2.5 V電壓作為比較放大器基準，并可作為向外電路輸出5 V/50 mA的電源。UC1845還包括過壓、欠壓保護電路，當供電電源電壓低于7.6 V時，芯片停止工作。UC1845 具有很高的工作溫度范圍，可以在-65～150 ℃的范圍內穩定的工作，可滿足航天應用[3]。

4 主體電路設計

主體電路以雙管反激電路為總的系統框架，用UC1845芯片和相應的外圍電路構成PWM控制器，反饋電路采用了磁隔離反饋，通過一個反饋控制量實現多路輸出，在輸出端配合應用低壓差三端穩壓器，可以提高各路輸出負載穩定度。

圖3 UC1845內部結構框圖

4.1 反饋控制電路設計

在常用的隔離反饋技術中，航天方面選用磁反饋較光耦反饋要更為可靠和穩定。相對于磁反饋而言，光耦反饋雖然更能達到所需的帶寬，且電路簡單、元件少，但在高溫下光耦的傳輸比（CTR）會變小，會導致運放飽和，使輸出電壓的反饋控制失效。磁反饋比光耦反饋壽命長，受溫度影響小。抗輻照能力強，故在航天方面選用磁反饋較光耦反饋要更為可靠和穩定[4]。

本電路中控制電路圍繞脈寬調制器UC1845進行設計，采用滿足航天應用的磁隔離反饋技術。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。這種設計可以不借助啟動隔離電路而實現離線式輸出，線路簡單，但帶來的缺點是如果輸出端不使用低壓差三端穩壓器負載調整率做不到很高，可以通過對變壓器的設計和對變壓器原邊電感的計算使其工作于臨界連續模式，可對輸出電壓負載調整率有一定改善；電流環采樣信號與自持電壓采樣反饋信號和基準電壓信號進行比較，得到誤差控制信號進行比較得到PWM控制信號構成了電流型控制雙環控制系統對開關功率管進行開關控制，實現閉環反饋控制。

UC1845啟動電壓在電路每次啟動時是通過啟動輔助供電電路降壓啟動，將PWM電路的啟動工作電壓穩定在10～12 V范圍內，使PWM電路安全可靠地啟動并工作；在電源模塊正常工作后，由于雙管串聯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啟動輸出電壓略高，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期供電，這樣降低了電路功耗。

4.2 雙管反激式開關電源變壓器設計

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，即初級繞組先繞一半，再繞次級繞組，繞后再將初級繞組剩余的匝數繞完，將次級繞組包裹在里面，這樣漏感最小。且使輸出繞組和自持繞組并繞以實現最佳耦合效果。

反激式開關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存，并實現隔離作用，它實際作為一個變壓器?扼流圈發揮作用。因此變壓器設計也不同于其他電路，初級繞組電感值直接影響電路中的電壓、電流波形。

關鍵參數設計：

由已知條件計算出總輸出功率，確定磁芯截面積S。和磁芯工作磁感應強度ΔB，選擇合適的磁芯。

初級線圈的峰值電流：

[IPK=2TPoVminTONη]

式中：[Vmin]變壓器初級輸人的最小直流電壓；T為開關周期；[TON]為開關管導通時間；[Po]為輸出功率；[η]為變換效率。

初級繞組電感為：

[LP=VminTONIPK]

初級繞組匝數匝數為：

[N1=VminTONBAe]

式中，N1是最小的初級匝數；[Vmin]是最大的初級電流電壓（單位：V）；[TON]是開關管Q1的最大導通時間（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：mm2）。

初次級匝比為：

[n12=TONmaxVminT-TONmaxVo2+VD]

式中：VD為輸出整流二極管壓降；Vo2為次級繞組N2的輸出電壓。

次級繞組匝數為：

[N2=N1n12]

其他繞組同理可得。

5 實驗結果

本文設計的適用于航天器用寬輸入電壓范圍的雙管串聯反激、磁隔離反饋、高穩定三路輸出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壓器的情況下，輸出電壓負載穩定度優于±1%。

5.1 開關電源輸出實驗結果

為了檢驗該開關電源的性能，對上述應用電路進行了性能測試。開關電源的電壓調整率、負載調整率、紋波和效率如表l所示（表中UPP為電壓峰峰值）。

表1 測試數據及計算結果

從實驗結果可知，在寬電壓輸入變化范圍內輸出電壓穩定。

5.2 電流采樣環波形

電流環波形如圖5所示。

5.3 主開關管漏-源波形

主開關管漏-源波形如圖6所示。

6 結 語

實驗證明本文所設計的基于UC1845多路輸出雙管反激開關電源開關電源具有良好的工作性能，輸出紋波小，反饋環節易于調整，保護動作迅速可靠。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合。

參考文獻

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