一種高效DC－DC模塊電源實(shí)現(xiàn)方案

DC /DC 模塊電源是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中廣泛使用的二次電源， 它將一次電源單一的輸出電壓進(jìn)行二次變換，變成各種需要的電壓， 提供給芯片。由于模塊體積小， 所以功率密度要求高， 同時(shí)工作環(huán)境較為惡劣， 可靠性要求高; 模塊電源一般要求工作溫度為- 20 ~55℃ , MTBF(平均無(wú)故障時(shí)間)要求在20萬(wàn)小時(shí)以上。本文提出了一種基于UC3843芯片DC /DC 模塊電源的實(shí)現(xiàn)方案， 電路簡(jiǎn)潔， 工作可靠， 轉(zhuǎn)換效率高。

1 UC3843功能及技術(shù)特性

UC3843是一種高性能固定頻率電流模式控制器，專(zhuān)為直流至直流變換器低壓應(yīng)用而設(shè)計(jì)， 設(shè)計(jì)人員只需采用少量外部元件就能獲得性價(jià)比高的解決方案。

UC3843具有自動(dòng)前饋補(bǔ)償、鎖存脈寬調(diào)制、欠壓鎖定、低壓?jiǎn)?dòng)等特點(diǎn)， 電流模式工作可到500kHz.器件提供8腳雙列直插塑料封裝和14腳塑料表面貼裝封裝(SO- 14)。

UC3843由振蕩器、誤差放大器、電流檢測(cè)比較器、脈寬調(diào)制鎖存器、參考穩(wěn)壓器等幾部分組成， 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，接口信號(hào)說(shuō)明見(jiàn)表1.

 

圖1 UC3843內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖


 

表1 UC3843芯片管腳說(shuō)明(雙列直插封裝)

2 DC /DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

2. 1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)目標(biāo)為DC /DC 轉(zhuǎn)換模塊， 48V 輸入， 5V 單路輸出， 額定功率為10W, 轉(zhuǎn)換效率不低于75%.

2. 2 總體框圖

轉(zhuǎn)換模塊由輸入濾波電路、開(kāi)關(guān)電路、輸出濾波電路、電流檢測(cè)電路、輔助電源、輸出電壓反饋電路和PWM 調(diào)制電路幾部分組成， 如圖2所示。

 

圖2 轉(zhuǎn)換模塊總體框圖

 

其中， 開(kāi)關(guān)電路、輸入濾波電路與輸出濾波電路為主工作電路， PWM 調(diào)制電路作為整個(gè)模塊的控制核心， 根據(jù)模塊電源工作電流、輸出電壓反饋信號(hào)， 輸出控制信號(hào)，動(dòng)態(tài)關(guān)斷與導(dǎo)通開(kāi)關(guān)管， 實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的實(shí)時(shí)控制。

2. 3 主工作電路設(shè)計(jì)

由于模塊輸出功率較小， 所以開(kāi)關(guān)電路采用單管反激電路設(shè)計(jì)。反激電路是由Buck Boost電路推演而得， 特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔， 開(kāi)關(guān)電路僅需四個(gè)器件： 變壓器、開(kāi)關(guān)管、整流管和輸出電容。采用一個(gè)變壓器，可以實(shí)現(xiàn)多路輸出。缺點(diǎn)是輸出濾波電容上的電流脈動(dòng)大，需要加大輸出濾波電容， 抑制紋波。具體電路原理如圖3所示。

 

圖3 主工作電路原理

開(kāi)關(guān)電路由T2、VT1、VD2 和C3 構(gòu)成， 當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1開(kāi)通時(shí)， 變壓器T2 原邊電感存儲(chǔ)能量， 整流管VD2截止，輸出能量由電容C3供給; 當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1關(guān)斷時(shí)， 變壓器上存儲(chǔ)的能量通過(guò)副邊電感經(jīng)VD2向外輸出， 并給C3充電。通過(guò)調(diào)節(jié)VT1的開(kāi)關(guān)占空比， 可以調(diào)節(jié)輸出電壓的高低。

輸入濾波電路由L1、C1 構(gòu)成，主要功能是抑制模塊的輸入反灌電流， 減小模塊對(duì)輸入電源的干擾。

為輸出較小紋波， 需要加大輸出濾波電容， 或選取ESR小的濾波電容， 但這都會(huì)增加成本。在輸出濾波電路中，采用一個(gè)π型濾波器，達(dá)到了減小紋波的效果。

2. 4 電流檢測(cè)電路

電流檢測(cè)電路由T1、VD1和R2、R3構(gòu)成， 見(jiàn)圖3。

T1是電流互感器， 通過(guò)VD1的整流， 可以在R3得到與主變壓器原邊電流成一定比例的直流脈動(dòng)電壓， 將這個(gè)脈動(dòng)信號(hào)送給PWM 控制器， 實(shí)現(xiàn)了原邊電流檢測(cè)。通過(guò)調(diào)整R2 和R3 的阻值， 改變檢測(cè)的比例關(guān)系， 可以得到合適的電流檢測(cè)信號(hào)。

2. 5 輔助電源電路

如圖3所示， 輔助電源電路由R1、T2、VD3和C7( C7見(jiàn)圖5)構(gòu)成。在開(kāi)機(jī)時(shí)， 輸入電源通過(guò)R1直接給控制芯片供電; 當(dāng)電源工作后， T2的輔助電源繞組輸出能量， 通過(guò)VD3和C7的整流濾波， 給控制芯片提供能量。

2. 6 輸出電壓反饋電路

輸出電壓反饋電路由光耦D2和三端穩(wěn)壓器D3及其外圍電路構(gòu)成， 見(jiàn)圖4.TL431 可以看成是一個(gè)開(kāi)關(guān)， 當(dāng)其參考端電壓大于2. 5V 時(shí)導(dǎo)通， 否則關(guān)斷。

R12、R13 為輸出電壓采樣電阻， 當(dāng)輸出電壓高于5V時(shí)， TL431的參考端電壓高于2. 5V, 導(dǎo)通， 光耦二極管有電流流過(guò)，三極管導(dǎo)通， R9上有高電平， 指示輸出過(guò)壓; 相反， 如果輸出電壓低于5V, 則R9上為低電平， 指示輸出欠壓。PWM 調(diào)制電路通過(guò)R9上的信號(hào)對(duì)主電路進(jìn)行占空比調(diào)節(jié)， 從而使輸出穩(wěn)壓。

 

圖4 輸出電壓反饋電路

 

2. 7 PWM 調(diào)制電路

PWM 調(diào)制電路由電流型控制芯片UC3843 及其外圍電路構(gòu)成， 見(jiàn)圖5.R8和C10為RC 振蕩器， 控制主電路的工作頻率和最大輸出占空比; R6、R7 和C9為輸出電壓反饋調(diào)節(jié)器，將輸出電壓反饋信號(hào)， 即R9上的電位按比例反饋到Com 端。UC3843將Is 端電位和Com 端電位的某一比例值進(jìn)行比較， 即將原邊電流檢測(cè)信號(hào)和輸出電壓偏差信號(hào)進(jìn)行比較， 控制脈沖輸出，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。原邊電流每個(gè)脈沖信號(hào)都被檢測(cè)， 所以電路具有很好的響應(yīng)速度。

 

圖5 PWM 調(diào)制電路

3 結(jié)論

本模塊設(shè)計(jì)完成后， 進(jìn)行了性能測(cè)試， 模塊滿載效率不低于80% , 輸出紋波VP- P小于20mV ( 20MH z帶寬) , 可靠性指標(biāo)MTBF大于20萬(wàn)小時(shí)， 具有過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)功能，達(dá)到了較高的設(shè)計(jì)水平， 完全滿足實(shí)際使用需求。