基于Buck-Boost電路的寬輸出電壓AC-DC電源設計

摘要：設計了一種寬輸出電壓的AC-DC開(kāi)關(guān)電源，其主要特征是輸出電壓可以在較大范圍內任意調節，解決了傳統的開(kāi)關(guān)電源只能輸出幾個(gè)特定電壓值的問(wèn)題。該設計的核心是反激變換電路和Buck-Boost電路。分析了這兩種電路的工作原理及其應用，并且給出了具體的設計。實(shí)驗表明，設計的電源能較好地實(shí)現了輸出電壓的寬范圍調節。
關(guān)鍵詞：Buck-Boost電路；寬輸出電壓；AC-DC電源；反激變換

0 引言
電源裝置是電力電子系統重要的組成部分，其設計的好壞直接影響到被供電設備性能的發(fā)揮。高頻開(kāi)關(guān)電源由于具有效率高、體積小和重量輕等特點(diǎn)，獲得了廣泛的應用。AC-DC開(kāi)關(guān)電源就是把交流電轉換為設備需要的直流電的一種裝置。而現有的AC-DC開(kāi)關(guān)電源只能輸出幾個(gè)特定電壓值，如：220 VAC-15 VDC／12 VDC／5 VDC等，不能實(shí)現輸出電壓在較大范圍內的調節。這大大限定了開(kāi)關(guān)電源的應用。
本文介紹的PWM脈沖調節電路選用芯片UC3842。它是美國Unitrode公司生產(chǎn)的一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調制器芯片，工怍環(huán)境溫度在-50～150℃之間，具備優(yōu)良的脈寬調制特性。此外由于微控制器具備較高的性?xún)r(jià)比和良好的控制特性，所以選擇微控制器作為Buck-Boost電路的PWM信號發(fā)生器。

1 UC3842簡(jiǎn)介
UC3842是一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調制芯片，為8腳雙列直插形式。該凋制器單端輸出，能直接驅動(dòng)雙極型的功率管或場(chǎng)效應管。它主要優(yōu)點(diǎn)有管腳效應少，外圍電路簡(jiǎn)單，電壓調整率可達0．01％，工作頻率高達500 kHz，啟動(dòng)電流小于1 mA，正常工作電流為5 mA，占空比可調且最大可達99％，并可利用高頻變壓器實(shí)現與電網(wǎng)的隔離。此外該芯片具備過(guò)流和過(guò)壓等保護功能。該芯片集成了振蕩器、具有高溫補償的高增益誤差放大器、電流檢測比較器、圖騰柱輸出電流、輸入和基準欠電壓鎖定電路以及PWM鎖存器電路等。
可見(jiàn)電流控制型脈寬調制器UC3842能產(chǎn)生頻率固定而脈沖寬度可調節的驅動(dòng)信號，控制大功率晶體管的通斷狀態(tài)來(lái)調節輸出電壓的高低，達到穩壓的目的。并且可通過(guò)構成閉環(huán)電壓反饋來(lái)達到較高的穩壓度。

2 AC-DC電源的電路結構
為了實(shí)現寬輸出電壓的AC-DC電源的設計，本文采用如圖1所示的電路結構圖。主要由市電接入電路、反激變換電路、濾波電路、UC3842 PWM調節電路、Buck-Boost變換電路及其驅動(dòng)電路和微控制器等組成。其中市電接入電路、反激變換電路、濾波電路和UC3842PW調節電路構成了高頻開(kāi)關(guān)電源，其作用是實(shí)現交流電AC到直流電DC的轉換，以及為驅動(dòng)芯片等提供電源。Buck-Boost變換電路的作用是把前級輸出的直流電壓V變換為需要的直流電壓值，作為系統的輸出電壓。該設計的電壓調節正是通過(guò)Buck-Boost變換電路實(shí)現的。驅動(dòng)電路把微控制器產(chǎn)生的PWM0信號變換為可以直接驅動(dòng)Buck-Boost變換電路的信號。

圖1中的濾波電路一般采用LC濾波，從而可以得到較好的直流輸出。
2．1 單端反激式變換電路
單端反激變換電路是高頻開(kāi)關(guān)電源的核心部分。其典型電路如圖2所示。電路的輸入Vin為220 V交流電，經(jīng)市電輸入電路后得到的300 V直流電，輸出可以為多組直流電。單端反激變換電路一個(gè)重要特點(diǎn)是變壓器的線(xiàn)圈充當了電感的角色。

所謂的單端，是指高頻變換器的磁芯僅工作在磁滯回線(xiàn)的一側。所謂的反激，是指當開(kāi)關(guān)管Q1導通時(shí)，變壓器T的初級電壓感應到次級，但是由于感應電動(dòng)勢上負下正，所以整流二極管D1處于截止狀態(tài)，從而能量?jì)Υ嬖诔跫壚@組中；當開(kāi)關(guān)管Q1截止時(shí)，此感應電動(dòng)勢通過(guò)變壓器的繞組耦合到次級，由于次級的同名端和初級是相反的，所以次級的感應電動(dòng)勢是上正下負，次級整流二極管D1導通，初級電感在Q1開(kāi)通時(shí)儲存的能量通過(guò)磁芯耦合到次級電感，然后通過(guò)次級線(xiàn)圈釋放到次級輸出電容C1中，對電容進(jìn)行充電，同時(shí)為負載供電。當Q1再次導通時(shí)，由電容C1對負載供電。從而實(shí)現了輸出為直流電。
2．2 Buck-Boost電路
為了實(shí)現對高頻開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓進(jìn)行大范圍的調節，本文采用了Buck-Boost電路。BuckBoost電路是降壓-升壓變換器，也稱(chēng)為反號變換器。其可實(shí)現對高頻開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓的升壓／降壓調節，基本拓撲結構如圖3所示。Buck-Boost電路主要有開(kāi)關(guān)管Tr、電感L、二極管D2和濾波電容C4組成，L1和C2以及L2和C3構成了兩個(gè)LC濾波電路。Buck-Boost電路的工作原理：當開(kāi)關(guān)管Tr導通時(shí)，電流Is流過(guò)電感線(xiàn)圈L，L存儲能量。當開(kāi)關(guān)管Tr斷開(kāi)時(shí)，IL有減小的趨勢，電感線(xiàn)圈L產(chǎn)生的自感電勢反向，為下正上負，二極管D1受正向偏壓而導通，從而為負載供電并且為濾波電容C4充電。當開(kāi)關(guān)管再次導通時(shí)，有C4為負載供電。由于輸入電壓V與輸出電壓VDC反向，所以Buck-Boost也稱(chēng)為反號變換器。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的導通時(shí)間占空比D能實(shí)現對輸入電壓V的升壓或降壓的調節。

在連續電流工作模式下輸入電壓V與輸出電壓VDC滿(mǎn)足如下關(guān)系式：

從上式可知道開(kāi)關(guān)管導通時(shí)間占空比D=50％為變換器的降壓和升壓的臨界點(diǎn)。當占空比D50％時(shí)，VDCV，從而實(shí)現了降壓的變換；當占空比D>50％時(shí)，VDC>V，從而實(shí)現了升壓的變換?？梢?jiàn)通過(guò)調節占空比D可以實(shí)現對輸入電壓的調節，進(jìn)而實(shí)現輸出電壓能在較大的范圍內調節。