當(dāng)前位置:首頁 > 電源 > 電源
[導(dǎo)讀]摘要:通過一種UC3843控制小功率多路輸出DC/DC模塊電源的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程的介紹,重點(diǎn)討論了多路輸出模塊電源設(shè)計(jì)中與單路輸出不同的地方,詳細(xì)介紹了DC/DC模塊電源中常用的新型芯片UC3843的外圍電路參數(shù)的設(shè)計(jì),給出了

摘要:通過一種UC3843控制小功率多路輸出DC/DC模塊電源的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程的介紹,重點(diǎn)討論了多路輸出模塊電源設(shè)計(jì)中與單路輸出不同的地方,詳細(xì)介紹了DC/DC模塊電源中常用的新型芯片UC3843的外圍電路參數(shù)的設(shè)計(jì),給出了多路輸出模塊電源中變壓器和耦合電感的工程設(shè)計(jì)的詳細(xì)過程及滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)應(yīng)注意的各種問題。

關(guān)鍵詞:DC/DC變換器;多路輸出;耦合電感

 

0    引言

    DC/DC模塊電源已廣泛用于微波通訊、航空電子、地面雷達(dá)、消防設(shè)備、醫(yī)療器械等諸多領(lǐng)域。其中有許多應(yīng)用場合需要多路輸出。如在單片機(jī)智能控制器中,單片機(jī)供電需要5V,而運(yùn)放集成電路通常需要12V。在設(shè)計(jì)多路輸出電源時,有許多地方不同于單路輸出,需要考慮的問題較多,難度較大。比如,既要考慮變壓器管腳限制、多副邊變壓器設(shè)計(jì)、各路的穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn),又要考慮每路輕載及滿載時的負(fù)載調(diào)整率,負(fù)載的交叉調(diào)節(jié)特性。本文通過一個給單片機(jī)智能控制器供電的15W三路模塊電源的設(shè)計(jì)實(shí)例,詳細(xì)說明了多路輸出電源的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

1    電源的設(shè)計(jì)指標(biāo)

    12V輸入,5V/±12V三路輸出模塊電源的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所列。

表1    設(shè)計(jì)指標(biāo)

項(xiàng)目 代號 最小值/Min 標(biāo)稱值/Nom 最大值/Max 單位
負(fù)載電流(電阻) Io1(Ro1)   2(2.55)   A/Ω
Io2(Ro2)   0.25(48)   A/Ω
Io3(Ro3)   0.25(48)   A/Ω
輸入電壓范圍 Uin 36 48 72 V
輸出電壓 Uo1 5.025   5.075 V
Uo2 12.00   12.50 V
Uo3 -12.00   -12.50 V
負(fù)載效應(yīng) Ulr1     ±0.5
Ulr2     ±1.5
Ulr3     ±1.5
負(fù)載動態(tài)特性 dUm     ±150 mV
dt     200 μs
效率 Eff 80    

 

2    電源的設(shè)計(jì)原理

    圖1是針對單片機(jī)主板供電電源所設(shè)計(jì)的多路輸出開關(guān)電源原理圖。

圖1    多路輸出開關(guān)電源原理圖

    圖1中電感L201,L202,L203是耦合電感,L204是偏置繞組,由于受變壓器管腳限制,取自耦合電感。

    電路采用單端正激變換電路,當(dāng)變換器接通電源時,輸入直流電壓經(jīng)電阻R601和12V穩(wěn)壓管D601及三極管V601和V602組成的穩(wěn)壓降壓電路后,啟動UC3843。進(jìn)入正常工作后,偏置繞組L204的供電電路開始工作,偏置繞組的輸出經(jīng)二極管D4整流、C601濾波后輸出12V電壓,高于自供電電壓,使二極管D602反偏,啟動電路停止工作。偏置繞組為UC3843(IC301)提供工作電壓(12V),變換器進(jìn)入正常工作,在PWM脈寬調(diào)制方式下,各路次級繞組的輸出經(jīng)過各路的二極管整流、LC型濾波器濾波后,產(chǎn)生各路的直流輸出電壓。+5V輸出的電壓由電阻器R402和R406分壓后,與可編程穩(wěn)壓源TL431(IC401)中的2.5V參考電壓比較,然后通過光耦合器(IC101)反饋到UC3843的腳2,控制脈沖的占空比,穩(wěn)定5V輸出。耦合電感L202及L203實(shí)現(xiàn)±12V兩路穩(wěn)壓。過流保護(hù)電阻R101和R102檢測到開關(guān)管的過流信號,送入U(xiǎn)C3843的腳3,封鎖UC3843的輸出信號,實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。

3    設(shè)計(jì)方案選擇

    DC/DC模塊電源以中小功率為主,功率大都在150W之下,采用的電路拓?fù)湟苑醇ず驼ぷ儞Q器為主,有時也采用推挽變換器,電源要求體積小,設(shè)計(jì)時全部采用貼片元件。

3.1    主控芯片選擇

    主控芯片采用新型脈寬調(diào)制集成電路UC3843,是一種電流型控制的專用芯片,圖2是UC3843原理框圖。它具有欠壓鎖定電路,低靜態(tài)電流(1mA),大電流輸出,內(nèi)置能隙參考電壓,500kHz工作頻率,低R0放大器,電壓調(diào)整率可達(dá)0.01V,非常接近線性穩(wěn)壓電源的調(diào)整率,低起動電流僅1mA,啟動電路非常簡單等特點(diǎn)。

圖2    UC3843原理框圖 [!--empirenews.page--]

3.2    穩(wěn)壓方式選擇

    對單路輸出,只在輸出端加穩(wěn)壓反饋電路即可,而對多路輸出,必須視要求而定:如果各路輸出電壓精度都要求高,則每路都應(yīng)設(shè)計(jì)獨(dú)立的閉環(huán)穩(wěn)壓回路,這樣設(shè)計(jì)難度較大;如果只有一路是重要的負(fù)載,其他路負(fù)載較輕,并對輸出電壓精度要求不是很嚴(yán)格,則只須給重要負(fù)載所在電路加反饋控制回路,其余兩路開環(huán),依靠耦合電感實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。

3.3    多路輸出濾波電感繞制方式選擇

    本例的三路輸出中,5V(Uo1)是比較重要的負(fù)載,輸出電流最大(2A),12V是運(yùn)算放大器供電電源,允許電壓在1~2V范圍變化,電流較?。?.25A),所以,只在5V主路加反饋控制回路,±12V輔路的穩(wěn)壓性能是靠耦合電感來實(shí)現(xiàn)。針對本例多路輸出的具體情況,輸出濾波電感不宜采用獨(dú)立電感,而應(yīng)采用耦合電感,即將三路的輸出濾波電感繞在一個磁芯上,只有5V主電路受控,輸出特性較好,而±12V兩路較差影響不大。

4    電源設(shè)計(jì)過程

4.1    UC3843外圍電路設(shè)計(jì)

4.1.1    開關(guān)頻率選擇

    二次電源產(chǎn)品工作頻率一般選擇在100kHz~400kHz之間,本例設(shè)置開關(guān)頻率為250kHz,UC3843工作頻率可達(dá)500kHz,腳4是Rt/Ct鋸齒波振蕩器的定時電阻和電容的公共端,對于UC3843而言,

    f==250kHz(1)

式中:R是圖1中的R304,其值為6.8kΩ;

      C為圖1中的C302,其值為1nF。

4.1.2    過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

    圖1中R101及R102為過流檢測電阻,根據(jù)式ISMAX≈1.0V/RS設(shè)計(jì)R101及R102,這個電阻要設(shè)

得很小,以降低電阻上的損耗,圖1中設(shè)計(jì)為兩個10Ω電阻并聯(lián)。檢測電壓送入U(xiǎn)C3843的腳3。

    腳3電壓高于1V過流保護(hù)電路就動作,使腳6停止輸出矩形波,電路停止工作。腳3還要接一個RC濾波器以抑制開關(guān)管的尖峰電流,圖1中這個濾波器由R103及C306組成。

4.1.3    反饋誤差放大器設(shè)計(jì)

    R302,R303及C305構(gòu)成積分型調(diào)節(jié)器,電阻R302和R303的比例關(guān)系影響系統(tǒng)的動態(tài)特性。R302和R303的比值可以改變UC3843電壓誤差放大器的放大倍數(shù),對于一定的反饋電壓量,可使PWM調(diào)節(jié)器的輸出脈寬不同,從而影響輸出電壓調(diào)節(jié)幅度,即影響指標(biāo)中輸出的動態(tài)響應(yīng)調(diào)節(jié)幅度。積分器的電容C305的大小影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度,即影響指標(biāo)中輸出的動態(tài)響應(yīng)時間。

4.2    功率器件的選取

    變換器的開關(guān)器件采用功率MOSFET,依據(jù)單管變換器計(jì)算電壓的經(jīng)驗(yàn)公式,取

    UCEO==144V(2)

式中:Udmax為漏源極的最大電壓;

      D為占空比。

    所以,功率MOSFET的反向電壓應(yīng)選用大于144V的,電流按高頻變壓器一次繞組的最大電流來確定。圖1中V101選用耐壓200V、電流9A的IRF630。

4.3    高頻變壓器的設(shè)計(jì)

4.3.1    磁芯的選用

    多路輸出變壓器一般要求有較大的窗口面積,DC/DC模塊電源可選用FEY型、FEE型、EUI型等磁芯,對于正激變換器,理論上變壓器初級須有復(fù)位繞組Nr,這里考慮到變壓器腳位的問題,選取高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁材,去掉復(fù)位繞組,這樣使每次磁芯都在磁化曲線的下部工作,避免磁芯飽和。

    先確定最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm,以計(jì)算并初選磁芯型號。

    1)考慮高溫時飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs會下降,同時為降低高頻工作時磁芯損耗,最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度一般選為0.2~0.25T。這里選取高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁材RM2.2KD,其Bs為0.44T。

    2)磁芯型號的選取有兩種方法,一是依據(jù)式(3)

    AeAw>=(3)

式中:Ae為磁芯截面積;

      Aw為磁芯窗口面積;

      fs為開關(guān)頻率;

            ΔB為磁性材料所允許的最大磁通密度的變化范圍;

      dc為變壓器繞組導(dǎo)體的電流密度;

      kc為繞組在磁性窗口中的填充系數(shù)。

    二是根據(jù)廠家的磁芯材料手冊給出的輸出功率與磁芯尺寸的關(guān)系。這里采用第二種方法選用FEY15.3磁芯,其有效截面積為18.7mm2。

4.3.2    計(jì)算匝比

    Uo=Uo1+UD=5.0+0.5=5.5V(4)

式中:Uo1為5V主路輸出電壓;

      UD為整流管MBR1545正向壓降,取0.5V。

    n12==3.14(5)

式中:n12為主路原副邊匝比;

      Ui=UminDmax=36×0.48=17.28V(其中Umin為電源最低輸入電壓,Dmax取0.48);

      Uo為N2輸出電壓。

    實(shí)際選取n12=4:1。

4.3.3    計(jì)算并調(diào)整主路副邊匝數(shù)

    N2===3.13(6)

式中:Ts為電源周期,Ts==4×10-6s;

            ΔBm為磁通增量,ΔBm=0.44-0.065=0.375T;

      Ae為磁芯截面積,對FEY15.3磁芯,Ae=0.187cm2。

實(shí)際取N2=4匝。

4.3.4    計(jì)算原邊匝數(shù)

    N1=N2×n12=4×4=16匝(7)

4.3.5    計(jì)算其余兩個輔路副邊匝數(shù)

    N3=N4=N1×=4×=9.09(8)

式中:Uo2為+12V輔路輸出電壓; [!--empirenews.page--]

      UD′為整流管SK3B正向壓降,也取0.5V。

實(shí)際取N3=N4=10匝。

    繞制時由于原邊、主路副邊電流較大,為減小漏感,分別采用雙線并繞法及三線并繞法。

4.4    輸出整流管設(shè)計(jì)

    為降低功耗,提高電源效率,選用肖特基整流二極管。輸出整流管的標(biāo)稱電流(IF)值應(yīng)為輸出直流電流額定值(Io)的3倍以上,即IF1>3Io;整流管的反向耐壓UR≥1.25PIVs,(PIVs=Uo+UMAX,UMAX=2UACMAX,UACMAX為輸出最大紋波電壓幅值)。依據(jù)此原則,Uo1路整流管采用MBR1545,反向耐壓45V,正向電流15A;Uo2和Uo3采用SK3B,反向耐壓100V,正向電流3A。這里反向耐壓選擇高,有利于降低整流管上的損耗。

4.5    輸出耦合電感設(shè)計(jì)

    在采用一路受控,其余兩路依靠耦合電感穩(wěn)壓這種控制方式下,為了把輔路輸出電壓調(diào)節(jié)保持在電壓1V的穩(wěn)定范圍內(nèi),多路輸出時,主輸出的電感及每路電感要求工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)。設(shè)計(jì)時先進(jìn)行高壓支路到低壓支路的折算,根據(jù)總輸出電流按單線圈選取磁芯、總導(dǎo)線截面積以及導(dǎo)線尺寸、匝數(shù)。即首先通過電路設(shè)計(jì)確定輸出濾波電感值。為使電感電流連續(xù)以維持濾波效果,輸出濾波電感必須設(shè)計(jì)在連續(xù)狀態(tài),流過電感器的電流應(yīng)大于負(fù)載電流的最小值IOMIN,電感值大于IOMIN時對應(yīng)的電感值

    L=(9)

式中:n為變壓器匝比;

      Uimax為最大輸入電源電壓;

            ΔI為允許的電感電流最大紋波電流值。

    確定濾波電感值后,根據(jù)電感最大貯能值0.5×L×I2,依據(jù)式(10)選擇磁性型號,

    AeAw>=(10)

式中:IMAX為電感電流最大有效值;

      ISP為電感電流最大峰值;

      BMAX為磁路磁通密度最大值。

然后依據(jù)式(11)確定電感匝數(shù),

    NL=(11)

    最后再分配到各支路,根據(jù)各路實(shí)際電流和次級匝比得到各線圈匝數(shù)和尺寸。

    電流連續(xù)模式電感磁芯可選擇比變壓器磁芯差一些的磁芯材料,但在實(shí)際應(yīng)用中,如果兩種材料價(jià)格相差不大,往往采用與變壓器相同的材料。圖1中電感磁芯仍為FEY15.3。

    選擇電感的匝數(shù)首先要滿足電感的匝數(shù)比等于主變壓器的輸出繞組的匝數(shù)比,因?yàn)?,如果耦合電感L201及L202的匝數(shù)比不能保證與變壓器的匝比相等,則在Uo1和Uo2之間會存在附加的電流流動,從而在其輸出產(chǎn)生很大的紋波。其次,各路在每路相應(yīng)的變壓器匝數(shù)上乘以2或3得出各路的電感匝數(shù)。圖1選變壓器匝數(shù)的3倍,正好可以雙線并繞填滿窗口寬度。最后得出Uo1路輸出電感匝數(shù)是NL201=3N2=3×4=12匝。

    Uo2路輸出電感匝數(shù)是NL02=3N3=3×10=30匝,Uo3路輸出電感匝數(shù)是NL203=NL02=30匝。

    偏置繞組NL204為UC3843提供12V工作電壓,其輸出電壓=Uo2,故匝數(shù)NL04=NL202=30匝。

    為了滿足負(fù)載調(diào)整率,互感必須很好耦合。所以在繞制各個繞組時,應(yīng)覆蓋整個骨架的寬度,而且應(yīng)當(dāng)使用相同線徑的幾條導(dǎo)線并排纏繞,以確保在整個骨架的寬度上,達(dá)到最好耦合。

5    其他注意事項(xiàng)

    1)調(diào)試多路輸出電源時要先斷開輔路,調(diào)整好主路,保證主路工作正常后再加上輔路調(diào)整,可降低調(diào)試難度。

    2)為了滿足設(shè)計(jì)指標(biāo),除要注意滿載時的負(fù)載調(diào)整率,還要顧及輕載時的負(fù)載調(diào)整率;為了防止空載時輸出電壓太高損壞輸出整流管,必須給每路輸出均加上假負(fù)載,圖1中R5,R6,R7均為相應(yīng)路的假負(fù)載,假負(fù)載值不宜太大,大小可用實(shí)驗(yàn)確定。另外主路和輔路之間的假負(fù)載要配合調(diào)整,以滿足輔路的電壓范圍在指標(biāo)內(nèi)。

    3)主路空載輸出電壓可由TL431的分壓電阻確定,當(dāng)主路空載輸出電壓低時可減小R406,保證TL431的2.5V基準(zhǔn)。表2為R406阻值改變時,測得各路空載輸出電壓的一組數(shù)據(jù)。當(dāng)主路空載輸出電壓和假負(fù)載確定好后,如果出現(xiàn)輔路空載輸出電壓超出指標(biāo)范圍時,可適當(dāng)改變整流管參數(shù),如當(dāng)輔路12V輸出為12.7V超出指標(biāo)12.5V時,可換用正向壓降為0.7V的整流管代替正向壓降為0.5V的整流管。輸出假負(fù)載也可調(diào)整空載輸出電壓。

表2    R406阻值改變時各路輸出電壓的變化

R406阻值/kΩ 輸出電壓/V
Uo1 Uo2 Uo3
2.491 5.04 +12.03 -12.05
2.491//120 5.09 +12.15 -12.17
    4)在布局布線時,各個元器件依照原理圖次序依次擺放,開關(guān)管漏極與變壓器原邊的連線要盡量短,UC3843所有的外圍元器件要盡可能地靠近該集成電路,尤其是去耦電容和旁路電容必須布在相應(yīng)的管腳附近,必須在變壓器、開關(guān)管等發(fā)熱元器件附近通過多個過孔把底層與散熱焊盤相連以提高散熱效果。

6    實(shí)測數(shù)據(jù)及波形

    圖3是UC3843腳4輸出的鋸齒波,可用于判斷UC3843是否正常工作。

圖3    腳4輸出的鋸齒波形

    圖4是空載時UC3843腳6輸出矩形波。

圖4    空載時腳6輸出矩形波形  [!--empirenews.page--]

    圖5是主路加25Ω負(fù)載,輔路空載時開關(guān)管的漏—源極波形,可以看出此時D約0.35,脈寬已經(jīng)開始調(diào)整。

圖5    輔路空載、主路接25Ω負(fù)載時開關(guān)管的uDS波形

圖6    是主輔路全滿載時開關(guān)管的漏—源波形,可以看出此時D約0.5,脈寬已調(diào)至最大。

圖6    主輔路全滿載時開關(guān)管的vDS波形

    表3是此三路輸出電源在主、輔路負(fù)載變動時輔路的輸出電壓波動實(shí)測數(shù)據(jù)。

表 3    負(fù) 載 變 動 時 輸 出 電 壓 的 波 動

各路負(fù)載情況 輸出電壓/V
Uo1 Uo2 Uo3
+5V滿載,±12 V空載 5.02 +13.39 -13.56
+5 V、-12 V滿載,-12 V空載 5.03 +12.53 -13.20
+5 V、-12 V空載,+12 V滿載 5.04 +11.45 -11.96
+5 V空載,±12 V滿載 5.04 +11.205 -11.26

 

7    結(jié)語

    多路輸出比單路輸出設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,必須依據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)重點(diǎn)做好UC3843外圍元器件參數(shù)、多副邊高頻變壓器、耦合電感等的正確設(shè)計(jì),配合反饋回路的調(diào)節(jié),才能全面確保各項(xiàng)指標(biāo)。本文設(shè)計(jì)的電源已用于單片機(jī)數(shù)據(jù)采集控制電路中。

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機(jī)構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點(diǎn),本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實(shí)性等。需要轉(zhuǎn)載請聯(lián)系該專欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請及時聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫?dú)角獸公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

加利福尼亞州圣克拉拉縣2024年8月30日 /美通社/ -- 數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)解決方案公司Trianz今天宣布,該公司與Amazon Web Services (AWS)簽訂了...

關(guān)鍵字: AWS AN BSP 數(shù)字化

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國汽車技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認(rèn)證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開發(fā)耗時1.5...

關(guān)鍵字: 汽車 人工智能 智能驅(qū)動 BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運(yùn)行,同時企業(yè)卻面臨越來越多業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn),如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報(bào)道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對日本游戲市場的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會開幕式在貴陽舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導(dǎo)體

8月28日消息,在2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機(jī) 衛(wèi)星通信

要點(diǎn): 有效應(yīng)對環(huán)境變化,經(jīng)營業(yè)績穩(wěn)中有升 落實(shí)提質(zhì)增效舉措,毛利潤率延續(xù)升勢 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競爭力 堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強(qiáng)核心競爭優(yōu)勢...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運(yùn)營商 數(shù)字經(jīng)濟(jì)

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺與中國電影電視技術(shù)學(xué)會聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會上宣布正式成立。 活動現(xiàn)場 NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會上,軟通動力信息技術(shù)(集團(tuán))股份有限公司(以下簡稱"軟通動力")與長三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉
關(guān)閉