UC3846的大功率開關(guān)電源的設(shè)計

1、引言

本文介紹和比較了電壓型PWM控制器和電流型PWM控制器的優(yōu)缺點，著重論述了電流型控制芯片UC3846在大功率全橋開關(guān)電源中的應(yīng)用，并對電路進(jìn)行具體的分析。

2、電壓型和電流型PWM控制器

2.1、電壓型PWM控制器

目前應(yīng)用廣泛的PWM控制器都是采用電壓模式控制的，它只對輸出電壓進(jìn)行采樣，采樣信號Vf作為反饋信號與基準(zhǔn)電壓vr在誤差放大器中進(jìn)行比較放大，得到誤差信號Ve，ve和鋸齒波信號比較后通過PWM比較器輸出一系列高頻脈沖來控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，它的主要缺點是：響應(yīng)速度慢，穩(wěn)定性差，甚至在大信號變化時會產(chǎn)生振蕩，造成功率管損壞等故障。

圖1 電壓控制型的原理圖

2.2、電流型PWM控制器

針對上述電壓型控制器的缺點，最近十幾年發(fā)展起來電流型控制技術(shù)。圖2所示的是電流控制型的原理圖，它的工作原理是通過采用恒頻時鐘脈沖置位鎖存器輸出脈沖驅(qū)動功率管導(dǎo)通，電源回路中的電流脈沖逐漸增大，當(dāng)電流在采樣電阻Rs上的幅度達(dá)到Ue時，脈寬比較器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，鎖存器復(fù)位，驅(qū)動撤除，功率管截止。這樣逐個檢測和調(diào)節(jié)電流脈沖，就可達(dá)到控制電源輸出的目的。電流控制型是在電壓反饋PWM控制環(huán)內(nèi)部增加電流反饋的控制環(huán)節(jié)，由于存在電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)使得變換器的線電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率以及瞬態(tài)響應(yīng)特性都有比較大的提高。但需要注意的是峰值電流控制型電路當(dāng)電路占空比大于50%時，需要加入斜率補償電路。

圖2 電流控制型的原理圖

3、脈寬調(diào)制芯片U03846的簡介

UC3846最早是由unitrode公司推出的電流脈寬調(diào)制芯片，該芯片采用大電流圖騰柱式雙端輸出，輸出峰值電流可達(dá)500mA，能直接驅(qū)動場效應(yīng)管，內(nèi)置精密帶隙可調(diào)基準(zhǔn)電壓、高頻振蕩器、誤差放大器、差動電流檢測放大器、欠電壓鎖定電路以及軟啟動電路，具有自動關(guān)斷功能。其主要優(yōu)點是功能齊全、自動前饋補償、欠壓保護(hù)、終端鎖機(jī)保護(hù)，較好的負(fù)載響應(yīng)特性。外圍控制電路簡單，工作頻率高達(dá)500KHZ。最高輸入電壓為40V，基準(zhǔn)電壓輸出典型值為5.1V，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 UC3846內(nèi)部框圖

4、UC3846芯片的應(yīng)用電路設(shè)計與具體分析

4.1、主電路的設(shè)計

本文電路的設(shè)計輸出功率為1KW，因此主電路采用全橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示：

圖4 主電路原理圖

圖4中G1，G2，G3，G4，和主變壓器T1組成全橋式拓?fù)潆娐?，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點是主變壓器只需要一個原邊繞組，通過正反向的電壓得到正、反向磁通，副邊有兩組中心抽頭繞組采用全波整流輸出，變壓器的利用效率很高。缺點是需要設(shè)置一定的死區(qū)時間，防止上下兩管直通。主變壓器T1采用E55磁芯，材質(zhì)為PC40，原邊繞組匝數(shù)為25匝，副邊繞組匝數(shù)為3匝，變壓器不留氣隙，在繞制的時候采用“三明治”繞法即“初級+次級+初級”的繞法進(jìn)行繞制，采用這種繞法可以減少變壓器的漏感，由于次級輸出電流較大，故次級采用四組多股線圈并繞3匝而成。Rl，C1為吸收電路場效應(yīng)管采用低柵荷的IRFP460LC開關(guān)管，LT為初級電流檢測用的電流互感器，作為電流控制時的電流取樣用。

4.2、PWM控制電路

圖5 控制電路

由UC3846構(gòu)成的開關(guān)電源控制電路如圖5所示，UC3846的8腳和9腳所接的ct和Rt決定振蕩器的工作頻率，PWM振蕩頻率近似計算公式

由TL431和光耦PC8l7以及外圍電路組成簡單可靠的電壓反饋外環(huán)電路，并將反饋信號送至6腳。電流互感器LT將獲得電流反饋內(nèi)環(huán)信號經(jīng)R13，C8組成的濾波器濾除電流前沿尖峰后送入4腳，放大3倍后和電壓誤差信號進(jìn)行比較。在引腳6腳和7腳之問接入阻容R5，C3構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器，用于補償閉環(huán)增益和進(jìn)行頻響調(diào)節(jié)，R15，C1組成斜坡補償網(wǎng)絡(luò)，保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作，引腳1外接軟啟動電容c2，當(dāng)引腳1上的電壓低于0.5V時，UC3846的兩個輸出端將沒有輸出，通過對電容c2的充電可以很簡單的實現(xiàn)電路軟啟動功能，引腳l6腳外接保護(hù)電路，當(dāng)16腳電位上升到O.35V，電路進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，封鎖輸出脈沖?？刂齐娐返碾娫从奢o助電源電路提供。

4.3、驅(qū)動電路的設(shè)計

由于驅(qū)動電路的浮地電位與被驅(qū)動的開關(guān)管源極電位不同，需要采用電位隔離的方式驅(qū)動，本文采用IR公司生產(chǎn)的IR2110驅(qū)動器，它的浮置電源采用自舉升壓電路，能夠很好的實現(xiàn)控制電路主電路的互相隔離，同時具有體積小、速度快、結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定性高等優(yōu)點。全橋電路有兩對場效應(yīng)管，因此需要兩塊IR2i10構(gòu)成驅(qū)動電路，由IR2110構(gòu)成的驅(qū)動電路如圖6所示

圖 6 驅(qū)動電路

圖中，C1，c2為自舉升壓電容，VCC經(jīng)D1，C1和G3給C1充電，實現(xiàn)G3關(guān)閉，G1導(dǎo)通時，G1的柵極上有足夠的儲能來驅(qū)動。對于自舉電容的選擇，一般用一個大電容和一個小電容并聯(lián)使用，小電容的作用是吸收毛刺干擾電壓，驅(qū)動大容量的MOS管，上管的驅(qū)動波形峰頂如果出現(xiàn)下降的現(xiàn)象則要選取容量大一點的電容，電路中還增加了穩(wěn)壓二極管v5，V6避免VB過電壓損壞IR2110。

5、實驗與結(jié)論

按照以上分析和計算設(shè)計了一款全橋型開關(guān)電源樣機(jī)，其設(shè)定輸出電壓為+24V，額定輸出電流40A，測試結(jié)果表明，電壓調(diào)整率和輸出電壓紋波均達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，滿足了設(shè)計要求。