多路隔離輸出的車(chē)載輔助電源設計

1 UC3842 PWM控制器簡(jiǎn)介
UC3842是一種高性能的固定頻率電流型控制器，單端輸出，可直接驅動(dòng)MOSFET，具有管腳數量少、外圍電路簡(jiǎn)單、安裝與調試簡(jiǎn)便、性能優(yōu)良、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)高頻變壓器與供電電源隔離，非常適于20～50W的小功率的輔助電源，其內部結構如圖l所示。它具有兩個(gè)控制環(huán)路，一個(gè)是輸出電壓反饋誤差放大器，用于同基準電壓比較后產(chǎn)生誤差電壓；另一個(gè)是變壓器原邊中的電流在采樣電阻上產(chǎn)生的電壓與誤差電壓進(jìn)行比較調節調制脈沖的寬度，這些都是在時(shí)鐘所限定的固定頻率下工作。其主要特點(diǎn)如下。

1)良好的負載調整率 因為誤差放大器可專(zhuān)門(mén)用于控制由于負載變化造成的輸出電壓變化。
2)電壓調整率好，可達到0 01％／V 這是由于輸入電壓的變化可立即反映為變壓器原邊電流的變化，它不經(jīng)過(guò)任何誤差放大器就能在比較器中改變輸出脈沖寬度，再加上一級輸出電壓至誤差放大器控制，能夠使電壓調整率更好。
3)過(guò)流保護電路的簡(jiǎn)化由于采樣電阻上的信號對應變壓器原邊電流的峰值，所以形成逐個(gè)脈沖限流電路，只要采樣電阻上電壓達到1V，脈寬調制器就立即關(guān)閉，而這種峰值電流檢測技術(shù)可以靈敏地、精確地限制輸出的最大電流。
4)誤差放大器補償電路簡(jiǎn)單，穩定度提高并改善了頻率響應這是由于采樣電阻上檢測的峰值電流值能代表其平均值大小，整個(gè)電路可以看作一個(gè)誤差電壓控制源，變換器由雙極點(diǎn)變?yōu)閱螛O點(diǎn)。
5)采用電流環(huán)的自動(dòng)穩流電流峰值控制可改善開(kāi)關(guān)調節系統的穩定性和瞬態(tài)特性，當系統受到擾動(dòng)影響時(shí)，只要被檢測的電流發(fā)生變化，就立即反映到控制電路中，使之自動(dòng)調節，而不會(huì )象單環(huán)調壓系統那樣要等輸出電壓發(fā)生變化后，才調節控制端，雙閉環(huán)控制系統很好地提高了穩壓電源的響應速度。
6)欠壓鎖定電路其開(kāi)啟電壓為16V，關(guān)閉電壓為10V,UC3842的電源可以由高壓直流電通過(guò)一個(gè)降壓電阻來(lái)提供，6V的啟動(dòng)關(guān)閉電壓回差可以有效地防止電路在閾值電壓附近工作時(shí)的振蕩：在UC3842的輸入端設有一個(gè)36V齊納管，保證內部電路絕對工作在36V以下，防止可能高壓帶來(lái)的損壞。
7)圖騰柱式輸出 UC3842輸出給開(kāi)關(guān)管的平均電流為200mA，最大峰值電流可達l.OA，輸出低電平為1．6V，輸出高電平為13．4V，故適合驅動(dòng)雙極晶體管或者M(jìn)OSFET。芯片內部設置有PWM鎖存器，可保證輸出端在每個(gè)振蕩周期內僅出現一個(gè)單控制脈沖，防止噪聲干擾和功率管的超功耗。

2 電路設計
本文設計的多路輸出反激變換器，輸人為24V鉛酸蓄電池，直流輸出有4路(+14．5V2、+5V、一14 5V)，一路交流母線(xiàn)方式輸出(14 5V)，可以擴展多路隔離輸出。設計原理如圖2所示。

2.l 啟動(dòng)電路設計
由R11、C7、C8組成芯片啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò )。當系統上電時(shí)，由蓄電池直流電提供給芯片腳7大于16V的電壓，使得UC3842開(kāi)始正常工作。

2．2工作頻率設定
UC3842的工作頻率由式(1)設定，即

式中：R為腳4與腳8間電阻，CT為腳4接地電容。
UC3842的工作頻率很寬，最高工作頻率為500kHz。本設計?。篟T=43 kΩ,CT=lnF；則fs=42kHz。

2．3 高頻變壓器的設計
高頻變壓器具有儲能、隔離的作用，所以在反激變換器設計中，變壓器的設計是關(guān)鍵。在磁芯大小、原邊電感值、氣隙大小、原邊線(xiàn)圈的匝數以及各個(gè)耦合繞組的繞法等問(wèn)題都需要仔細計算和考慮。為了減少變壓器的體積和降低損耗，一般采用高頻低耗的磁芯。高性能功率鐵氧體磁芯具有高初始磁導率μi、低矯頑力Hc、高飽和磁感應強度鼠、低剩磁Bt、高電阻率p和高居里溫度θc，等優(yōu)點(diǎn)。磁導率高，則變壓器工作時(shí)勵磁電流就??；矯頑力低，則磁滯損耗比較??；飽和磁感應強度高、剩磁低，則變壓器工作時(shí)磁通變化范圍可以較大，相應減小了變壓器的體積；電阻率高，則高頻工作時(shí)渦流損耗比較??；居里溫度高，變壓器工作溫度可以相應提高。但是，以上各項要求在同一種磁性材料中不可能同時(shí)得到滿(mǎn)足，要視具體應用進(jìn)行選擇。

本設計選用國產(chǎn)NCD LP2材料的鐵氧體磁芯，它主要適用于20～150 kHz的中高頻開(kāi)關(guān)電源中，在此頻率范圍內材料具有很低的磁芯損耗，且損耗呈負溫度系數，因而可有效抑制變雎器的溫升。EER28型磁芯外形如圖3所示，外形尺寸如表l所列，性能如表2所列。

在磁芯里增加氣隙有兩個(gè)作用：一是使得磁滯回線(xiàn)傾斜，可以降低磁導率，以便在選擇一定線(xiàn)圈匝數時(shí)，可以得到所設計的變壓器的電感值；二是可以在增大線(xiàn)圈電流值的情況下磁芯也不易飽和。變壓器原邊電感是個(gè)很重要的參數，它的值贏(yíng)接影響整個(gè)電源的性能，原邊線(xiàn)圈的導線(xiàn)應盡可能粗，這樣可以有效地減少集膚效應。所加的氣隙不能太小，否則磁芯易飽和；同時(shí)也不能太大，否則將引起原邊漏感增大而致使線(xiàn)圈發(fā)熱，增大損耗。

反激變壓器的各個(gè)參數的設計如下。

首先確定輸出功率，設定工作的占空比(此處取O．33)。在確定工作頻率的基礎上可得輸出功率Po為

式中：Lp為變壓器原邊電感值；
Ipk為原邊電感電流峰值。
變換器工作在斷續狀態(tài)模式，則有

式中：為最大占空比)為開(kāi)通時(shí)間；

Vin為原邊輸入電壓值。

由式(2)和(3)可得

因為輸出電壓為一方波，一個(gè)導通周期的伏秒特性與原邊匝數的關(guān)系為

式中：Bw為變壓器磁芯的工作磁通密度，對于磁芯工作磁通密度，一般由飽和值Bs決定，取值稍低于磁化曲線(xiàn)的拐點(diǎn)，Bw取值過(guò)高則易使得磁芯飽和，取值過(guò)低則降低變壓器的利用率，此處取Bw=O．6Bs；

Ae為變壓器磁芯的有效截面積。

對于二次側的各個(gè)繞組按輸入最低電壓Vin-min和最大占空比計算，則

式中：Voi為輸出支路電壓；
VD為二次側整流二極管壓降；
VL為繞組壓降，可忽略不計；
Ni為相應輸出支路的匝數。

在不考慮邊緣磁通和磁芯磁阻的前提下，變壓器磁芯氣隙長(cháng)度由式(7)確定，即

根據所設計電路：Po=20 W，Vin=24～26V，fs=42 kHz，Dmax=O．33，采樣電阻Rs=0．125Ω的要求；可以計算出Ipk=5 A，Lp=38μH，ιg=0．46mm，N1=13，N2=17(+14．5 V反饋支路)，N3=17(一14．5 V支路)，N4=17(單路+14 5V)，N5=7(單路+5V)，N6=17(14.5 V交流母線(xiàn))。變壓器原邊用#26AWG漆包線(xiàn)(兩股)，副邊均采用單股#26AWG漆包線(xiàn)。

2.4 緩沖保護電路的設計
在所設計的電路中Rl0、D3、C4組成的緩沖保護網(wǎng)絡(luò )，可以有效地防止功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷過(guò)程中承受大的反壓。

由式(8)可得各個(gè)參數的具體數值。

式中：VDS是MOSFET的漏源極間的最大電壓值；
Is是漏極最大電流值。
此電路中VDS=42V，Is=5 A，由此可得R10=30Ω，C4=68 nF，PR10=3W 。

3 試驗分析
基于以上的設計步驟，研制了試驗樣機并進(jìn)行了試驗。圖4中分別為反激變換器工作在斷續模式(DCM)下的開(kāi)關(guān)管驅動(dòng)波形、vDS電壓波形和采樣電阻上的波形。

由圖4可知，在開(kāi)關(guān)管上加上緩沖保護電路后，使得開(kāi)關(guān)管所承受的應力大大減小，vDS。的波形更加趨近于理想情況，很好地起到了對開(kāi)關(guān)管的保護作用。

圖5中分別為反激變換器工作在連續模型(CCM)下的開(kāi)關(guān)管驅動(dòng)波形、vDS電壓波形和采樣電阻上的波形。

由圖5可知，變壓器原邊電流的上升率在兩種工作狀態(tài)下是一致的，可以看到在額定負載和輕載下電路自身的調節作用的穩定性和準確性。

電壓調整率的測試結果如表3所列，所設計的反激變換器在不同的負載條件下，反饋支路輸出電壓的變化率控制在1．5％以?xún)?，為所需供電設備提供了優(yōu)良的穩壓電源。

如表4所列，當電路工作在輸入電壓24V額定功率時(shí)，測得變換器的效率為83．9％，很好地達到了高效率的要求。

4 結語(yǔ)
本文提供了一種小型車(chē)用輔助電源的設計思路，由多路輸出反激變換器為車(chē)內各個(gè)設備提供所需的電源，詳細地介紹了UC3842的工作原理以及電路各個(gè)參數的設計原則。通過(guò)試驗樣機實(shí)現了多路隔離輸出的小型車(chē)用輔助電源，試驗結果顯示，它是一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調制器，適合于小型的開(kāi)關(guān)電源設計。