車載電源系統(tǒng)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案

本文提出了一種具有過(guò)載和短路保護(hù)的車載電源系統(tǒng)的開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案。該方案采用單端反激式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)48VDC/12VDC的轉(zhuǎn)換，輸出電壓穩(wěn)定，波紋小，不間斷，性能可靠且電源損耗小。

UC3842的保護(hù)電路設(shè)計(jì)

1 UC3842的典型應(yīng)用

UC3842是高性能的單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制(PWM)芯片，其典型應(yīng)用電路如圖1所示。

2 過(guò)載保護(hù)原理分析

當(dāng)出現(xiàn)輸出短路時(shí)，輸出電壓會(huì)下降，同時(shí)為UC3842供電的反饋繞組也會(huì)出現(xiàn)輸出電壓下降。當(dāng)輸入電壓低于10V時(shí)，UC3842停止工作，開關(guān)管截止。短路現(xiàn)象消失后，電源重新啟動(dòng)，自動(dòng)恢復(fù)正常工作。

但由于在高頻關(guān)斷的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)很高的尖峰電壓，即使占空比很小的情況下，電路中7腳的輸入電壓也可能不會(huì)降到足夠低，過(guò)載保護(hù)電路并不總能有效的響應(yīng)所出現(xiàn)的過(guò)載情況，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能會(huì)產(chǎn)生不良的影響，存在著一定的安全隱患。

3 過(guò)流保護(hù)原理分析

當(dāng)電流取樣端3腳上的電壓值超過(guò)電流檢測(cè)比較器負(fù)端的電壓時(shí)，可以使脈寬調(diào)制鎖存器輸入復(fù)位信號(hào)，開關(guān)管于是被關(guān)閉。這樣峰值檢測(cè)電路限制輸出的最大電流，起到了一定的保護(hù)作用。

但是隨著開關(guān)頻率的升高，可能會(huì)出現(xiàn)開關(guān)電源處于連續(xù)模式下，也就是每個(gè)開關(guān)周期的初級(jí)電感電流是從一定的幅度開始增長(zhǎng)，這樣會(huì)產(chǎn)生分諧波振蕩。這種不穩(wěn)定性和穩(wěn)壓器的閉環(huán)特性無(wú)關(guān)，它是由固定頻率和峰值電流取樣同時(shí)工作引起的。圖2說(shuō)明了這樣的現(xiàn)象。

如圖2所示，在t0時(shí)刻，開關(guān)管被導(dǎo)通，這時(shí)初級(jí)線圈電流以斜率m1上升，該斜率是輸入電壓和電感的函數(shù)。在t1時(shí)刻，電流取樣輸入到達(dá)了電流檢測(cè)比較器的門限，將導(dǎo)致開關(guān)管關(guān)閉，電流以斜率m2衰減，直到下一個(gè)開關(guān)周期的到來(lái)。如果有一個(gè)擾動(dòng)加在電流檢測(cè)比較器的門限電壓上，產(chǎn)生了一個(gè)小的△I(如圖2中虛線所示)，就會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定的現(xiàn)象。在一個(gè)固定的振蕩周期內(nèi)，電流衰減時(shí)間減少，最小電流在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)刻(t 2)上升了△I+m 2/m 1。最小電流在下一個(gè)周期(t 3)減小到(△I+m 2/m 1)·(m 2/m 1)。

每一個(gè)后續(xù)的開關(guān)周期內(nèi)，該擾動(dòng)都會(huì)與(m 2/m 1)相乘，在幾個(gè)開關(guān)周期交替增加和減小初級(jí)線圈電流，也許若干個(gè)開關(guān)周期后電流會(huì)減小到零，使這個(gè)過(guò)程重新開始。如果m 2/m 1大于1，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。

4 保護(hù)電路的改進(jìn)

如圖3所示，本設(shè)計(jì)針對(duì)UC3842典型應(yīng)用電路的過(guò)流、過(guò)載保護(hù)電路做出以下改進(jìn)。

在反饋繞組的整流二極管回路串一個(gè)電阻，它和電容C2組成RC濾波網(wǎng)絡(luò)，對(duì)開關(guān)管開通瞬間時(shí)的尖峰電壓起到了濾除的作用。這樣，由于尖峰電壓的減少，當(dāng)短路現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，反饋繞組輸出的電壓會(huì)有效的降低，UC3842會(huì)停止工作直到短路現(xiàn)象解除。

對(duì)過(guò)流保護(hù)電路進(jìn)行斜率補(bǔ)償。補(bǔ)償斜率從RT、CT振蕩器產(chǎn)生，加到電壓反饋端，以提高誤差放大器輸出的斜率補(bǔ)償。如圖3所示，誤差放大器的輸出是具有m3斜率的斜坡，經(jīng)過(guò)兩個(gè)二極管后被電阻分壓，然后輸入到電流檢測(cè)比較器的負(fù)端作為過(guò)流保護(hù)電路的控制電壓。這樣通過(guò)電流檢測(cè)比較器和脈寬調(diào)制鎖存器的配置保證了在任何一個(gè)振蕩器周期中只有一個(gè)單脈沖出現(xiàn)在輸出端。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)載或者輸出電壓取樣丟失等異常工作情況，內(nèi)部比較門限會(huì)被限定在1V，而不會(huì)出現(xiàn)電路失調(diào)的情況。

圖4顯示了通過(guò)在控制電壓上增加一個(gè)與脈寬調(diào)制時(shí)鐘同步的人為的斜坡，可以在后續(xù)的開關(guān)周期有效的抑制由于△I擾動(dòng)而引起的不穩(wěn)定。該補(bǔ)償斜坡的斜率(m 3)必須等于或者大于m 2/2才具有穩(wěn)定性。通過(guò)m 3斜率的補(bǔ)償，初級(jí)線圈電流會(huì)被控制電壓所抑制，緊跟控制電壓的幅度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1為輸入電壓在30～50V波動(dòng)時(shí)，輸出電壓的波動(dòng)情況，表2是負(fù)載電流在10～500mA變化時(shí)，輸出電壓的波動(dòng)情況。由表1的數(shù)據(jù)可得到電壓調(diào)整率S v<0.3%。由表2的數(shù)據(jù)可得到輸出電阻R o<0.4Ω。

結(jié)論

本文所提出的是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的單端反激式結(jié)構(gòu)開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案。由于采用了“斜率補(bǔ)償”的過(guò)流保護(hù)方式，性能更加穩(wěn)定可靠，電壓調(diào)整率低、輸出電阻小、紋波低，功率損耗低，系統(tǒng)安全系數(shù)高，實(shí)現(xiàn)對(duì)車載電源系統(tǒng)的供電，對(duì)提高汽車整體性能大有益處。本設(shè)計(jì)已經(jīng)成功應(yīng)用于武漢理工大學(xué)智能信息系統(tǒng)研究所自行設(shè)計(jì)的車用直流無(wú)刷電機(jī)控制器的電源系統(tǒng)中。

同時(shí)，本文所提出的DC/DC方案也適用于其他直流供電電源的應(yīng)用設(shè)計(jì)。由于其性能穩(wěn)定，紋波小，對(duì)采用微控制器的數(shù)字控制系統(tǒng)的供電電源設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。