一款車載DC-DC開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

　　引言

　　車載開關(guān)電源是一種DC-DC變換器，它與普通的通訊電源有所不同，特殊的使用環(huán)境要求電源變換器能適應(yīng)－25～50℃的高低溫環(huán)境，能防止汽車高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，汽車發(fā)電機(jī)給電源的浪涌和過大的沖擊電流直接損壞電源。同時(shí)車載開關(guān)電源的設(shè)計(jì)受到蓄電池供電的制約，不能采用低成本的線性電源。由于開關(guān)具有電源效率高、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛。本文采用的是開關(guān)變換的方式。

　　1 48 V~12 V/10 A 車載開關(guān)電源方案

　　本文設(shè)計(jì)的車載開關(guān)電源主要包括兩大主體：主電路和控制電路。其系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。主電路采用推挽變換器，控制芯片為UC3846。以下對(duì)主要電路進(jìn)行設(shè)計(jì)說(shuō)明。

　　1.1 輸入電路設(shè)計(jì)

　　在DC/DC 變換中，開關(guān)管的電流、電壓值的快速上升下降，電感電壓、電容的電流也迅速變化，這些都構(gòu)成電磁干擾源（EMI）。為了減少干擾，所以需要在電源的輸入端加濾波器。由圖2所示的C1、C2、C3、C4、C5 和L004、L001 組成。

　　車載電源用于汽車上，有可能受到較大瞬態(tài)高壓，必須在輸入級(jí)加上瞬態(tài)過壓保護(hù)電路，由圖2 中的壓敏電阻S20K60 完成此功能。同時(shí)考慮到開機(jī)時(shí)，接入電源有可能有很大的浪涌電流，必須在輸入端上接上一電阻來(lái)抑制浪涌，如圖2 中的R6，當(dāng)變換器正常工作后，場(chǎng)效應(yīng)管Q2的門極電流達(dá)到開通電流使Q2 開通，R6 兩端短接，避免了過多的功率消耗在電阻上。在場(chǎng)效應(yīng)管為IRF3205（VDSS=55 V ID=110 A RDS（on）=8.0 mΩ）。為避免安裝時(shí)接入蓄電池極性錯(cuò)誤，損壞變換器，故在輸入級(jí)上反向并聯(lián)二極管D1 和D2。

　　1.2 直流變換部分的設(shè)計(jì)

　　直流變換部分是開關(guān)電源的主體部分。本文設(shè)計(jì)的開關(guān)電源采用的是推挽式，Q3、Q4 為功率管，TR1 為高頻變壓器，D7、D8、C14～C19、L1、L2等為高頻整流電路，C10、R4 為開關(guān)管的緩沖回路。Q7～Q10 為場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路。

　　1.3 開關(guān)電源控制電路的硬件設(shè)計(jì)

　　控制電路采用UC3846，它是一種雙端輸出的電流控制型脈寬調(diào)制器芯片，其引出的腳1為限流電平設(shè)置端；腳2 為基準(zhǔn)電壓輸出端；腳3為電流檢測(cè)放大器的反相輸入端；腳4 為電流檢測(cè)放大器的同相輸入端；腳5 為誤差放大器的同相輸入端；腳6 為誤差放大器的反相輸入端；腳7為誤差放大器反饋補(bǔ)償；腳8 為振蕩器的外接電容端；腳9 為振蕩器的外接電阻端；腳10 為同步端；腳11 為PWM 脈沖的A 輸出端；腳12 為地；腳13 為集電極電源端；腳14 為PWM 脈沖的B輸出端；腳15 為控制電源輸入端；腳16 為關(guān)閉端。

　　當(dāng)差動(dòng)電流檢測(cè)放大器檢測(cè)的是開關(guān)電流而不是電感電流時(shí)，由于開關(guān)管寄生電容放電，檢測(cè)電流會(huì)有一個(gè)較大的尖峰前沿，可能使電流檢測(cè)鎖存和PWM 電路誤動(dòng)作，所以應(yīng)該在電流檢測(cè)輸入端加濾波電路。振蕩器的頻率由8 腳外接電容和9 腳外接電阻共同決定，而輸出頻率公式?jīng)Q定：

　　電流檢測(cè)輸入信號(hào)采用互感器L014 測(cè)定電流輸入信號(hào)，然后由D3～D6、R6～R8 變成電壓信號(hào)。電流測(cè)定放大器輸出由內(nèi)電路限定在3.5 V，因此電流測(cè)定信號(hào)輸入的最高電壓應(yīng)低于1.2 V。

　　電阻R27 和R29、VR2、R31 對(duì)輸出電壓進(jìn)行取樣，然后與參考電壓VREF4 進(jìn)行比較，運(yùn)放U4B（LM2904N）將誤差信號(hào)進(jìn)行PI 調(diào)節(jié)。當(dāng)輸出電壓過高時(shí)，運(yùn)放輸出端也變大，二極管D12 導(dǎo)通，三極管Q6 流過電流變大，則光耦器件DT2 的二極管發(fā)光強(qiáng)度變強(qiáng)，則光耦器件上三極管上流過的電流變大，則輸入到芯片UC3846 的誤差放大器反饋補(bǔ)償端電流變大，芯片輸出端的脈寬將變短。使輸出電壓降低。這樣即達(dá)到了輸出電壓穩(wěn)定的效果。

　　運(yùn)放U4A 和它的外圍電路構(gòu)成限流環(huán)節(jié)。運(yùn)放兩輸入端的電容C25 和R26構(gòu)成慣性環(huán)節(jié)。當(dāng)輸出電流大于10 A 時(shí)，D11 導(dǎo)通，影響光耦DT2 的發(fā)光強(qiáng)弱，從而改變輸出占空比。

　　2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　根據(jù)上面的思路設(shè)計(jì)了如圖3 所示的開關(guān)電源控制電路。測(cè)試了在不同情況下的工作波形，并在各種極限環(huán)境下進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電源設(shè)計(jì)合理，完全可以滿足車載環(huán)境下的使用。

　　3 結(jié)論

　　隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，汽車行業(yè)越來(lái)越壯大。車載開關(guān)電源將作為一個(gè)重要的電子設(shè)備被廣泛應(yīng)用，車載開關(guān)電源的需求量將日益增加。本設(shè)計(jì)基于把48 V 的電壓轉(zhuǎn)換為12 V 的常用電源，實(shí)驗(yàn)證明設(shè)計(jì)可靠。