車(chē)載電源系統開(kāi)關(guān)電源的設計方案

本文提出了一種具有過(guò)載和短路保護的車(chē)載電源系統的開(kāi)關(guān)電源設計方案。該方案采用單端反激式結構實(shí)現48VDC/12VDC的轉換，輸出電壓穩定，波紋小，不間斷，性能可靠且電源損耗小。

UC3842的保護電路設計

1 UC3842的典型應用

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

2 過(guò)載保護原理分析

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

但由于在高頻關(guān)斷的時(shí)候會(huì )出現很高的尖峰電壓，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)載保護電路并不總能有效的響應所出現的過(guò)載情況，對整個(gè)系統的性能會(huì )產(chǎn)生不良的影響，存在著(zhù)一定的安全隱患。

3 過(guò)流保護原理分析

當電流取樣端3腳上的電壓值超過(guò)電流檢測比較器負端的電壓時(shí)，可以使脈寬調制鎖存器輸入復位信號，開(kāi)關(guān)管于是被關(guān)閉。這樣峰值檢測電路限制輸出的最大電流，起到了一定的保護作用。

但是隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率的升高，可能會(huì )出現開(kāi)關(guān)電源處于連續模式下，也就是每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的初級電感電流是從一定的幅度開(kāi)始增長(cháng)，這樣會(huì )產(chǎn)生分諧波振蕩。這種不穩定性和穩壓器的閉環(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)明了這樣的現象。

如圖2所示，在t0時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管被導通，這時(shí)初級線(xiàn)圈電流以斜率m1上升，該斜率是輸入電壓和電感的函數。在t1時(shí)刻，電流取樣輸入到達了電流檢測比較器的門(mén)限，將導致開(kāi)關(guān)管關(guān)閉，電流以斜率m2衰減，直到下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的到來(lái)。如果有一個(gè)擾動(dòng)加在電流檢測比較器的門(mén)限電壓上，產(chǎn)生了一個(gè)小的△I(如圖2中虛線(xiàn)所示)，就會(huì )發(fā)生不穩定的現象。在一個(gè)固定的振蕩周期內，電流衰減時(shí)間減少，最小電流在開(kāi)關(guān)管導通時(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)后續的開(kāi)關(guān)周期內，該擾動(dòng)都會(huì )與(m 2/m 1)相乘，在幾個(gè)開(kāi)關(guān)周期交替增加和減小初級線(xiàn)圈電流，也許若干個(gè)開(kāi)關(guān)周期后電流會(huì )減小到零，使這個(gè)過(guò)程重新開(kāi)始。如果m 2/m 1大于1，系統將不穩定。

4 保護電路的改進(jìn)

如圖3所示，本設計針對UC3842典型應用電路的過(guò)流、過(guò)載保護電路做出以下改進(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 )，對開(kāi)關(guān)管開(kāi)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，當短路現象發(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象解除。

對過(guò)流保護電路進(jìn)行斜率補償。補償斜率從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比較器的負端作為過(guò)流保護電路的控制電壓。這樣通過(guò)電流檢測比較器和脈寬調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)單脈沖出現在輸出端。當出現過(guò)載或者輸出電壓取樣丟失等異常工作情況，內部比較門(mén)限會(huì )被限定在1V，而不會(huì )出現電路失調的情況。

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

實(shí)驗結果

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的數據可得到電壓調整率S v0.3%。由表2的數據可得到輸出電阻R o0.4Ω。

結論

本文所提出的是一種結構簡(jiǎn)單、性能穩定的單端反激式結構開(kāi)關(guān)電源設計方案。由于采用了“斜率補償”的過(guò)流保護方式，性能更加穩定可靠，電壓調整率低、輸出電阻小、紋波低，功率損耗低，系統安全系數高，實(shí)現對車(chē)載電源系統的供電，對提高汽車(chē)整體性能大有益處。本設計已經(jīng)成功應用于武漢理工大學(xué)智能信息系統研究所自行設計的車(chē)用直流無(wú)刷電機控制器的電源系統中。

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用設計。由于其性能穩定，紋波小，對采用微控制器的數字控制系統的供電電源設計有一定的借鑒意義。