一種15W三路輸出DC/DC模塊電源的設(shè)計(jì)
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(shí)，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(shí)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(gè)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(dòng)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(shí)，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(dòng)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(dòng)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(shí)也采用推挽變換器,電源要求體積小，設(shè)計(jì)時(shí)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(dòng)電流僅1mA，啟動(dòng)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,電流較小（0.25A），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(gè)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(shí)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(gè)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(gè)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(dòng)作，使腳6停止輸出矩形波，電路停止工作。腳3還要接一個(gè)RC濾波器以抑制開關(guān)管的尖峰電流，圖1中這個(gè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)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(shí)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs會(huì)下降，同時(shí)為降低高頻工作時(shí)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(gè)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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)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(huì)存在附加的電流流動(dòng)，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(gè)繞組時(shí)，應(yīng)覆蓋整個(gè)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(gè)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(shí)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(shí)的負(fù)載調(diào)整率，還要顧及輕載時(shí)的負(fù)載調(diào)整率；為了防止空載時(shí)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(shí)可減小R406，保證TL431的2.5V基準(zhǔn)。表2為R406阻值改變時(shí)，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(shí)，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(shí),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(shí)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 |
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(shí)UC3843腳6輸出矩形波。
圖4 空載時(shí)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(shí)開關(guān)管的漏—源極波形，可以看出此時(shí)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(shí)開關(guān)管的uDS波形
圖6 是主輔路全滿載時(shí)開關(guān)管的漏—源波形，可以看出此時(shí)D約0.5，脈寬已調(diào)至最大。
圖6 主輔路全滿載時(shí)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(dòng)時(shí)輔路的輸出電壓波動(dòng)實(shí)測數(shù)據(jù)。
表 3 負(fù) 載 變 動(dòng) 時(shí) 輸 出 電 壓 的 波 動(dòng)
| 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。
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