15W三路輸出DC/DC模塊電源設計

摘要
　　本文介紹了一種UC3843控制的小功率多路DC/DC模塊電源的詳細設計過(guò)程，重點(diǎn)討論了多路輸出模塊電源設計與單路輸出的不同，詳細介紹了DC/DC模塊電源中常用的新型芯片UC3843的外圍電路參數的設計，給出了多路輸出模塊電源中變壓器和耦合電感的設計過(guò)程及滿(mǎn)足各項性能指標應注意的各種問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：DC/DC變換器；多路輸出；UC3843; 耦合電感
引言 
　　DC/DC模塊已被廣泛應用于鐵路通信、微波通訊、工業(yè)控制、船舶電子、航空電子、 地面雷達、消防設備和醫療器械教學(xué)設備等諸多領(lǐng)域，其中有許多應用場(chǎng)合需要多路輸出，如在單片機智能控制器中，單片機供電需要5V，而運放通常需要12V。在設計多路輸出時(shí)，有許多地方和單路輸出不同，既要考慮變壓器管腳限制、多副邊變壓器設計、各路的穩壓電路實(shí)現，又要考慮每路輕載及滿(mǎn)載的負載調整率，以及負載的交叉調節特性等。本文將通過(guò)一個(gè)給單片機智能控制器供電的15W三路模塊電源的設計實(shí)例來(lái)詳細說(shuō)明多路輸出模塊電源的設計。

　　　　　　　　　　　　　圖1多路輸出開(kāi)關(guān)電源原理圖
模塊電源的工作原理
　　本文針對單片機主板供電電源所設計的多路輸出開(kāi)關(guān)電源如圖1所示，其中電感L201、 L202、L203是耦合電感，L204是偏置繞組，由于變壓器管腳限制，取自耦合電感。
　　電源工作原理如下：電路采用單端正激變換電路，當變換器接通電源時(shí)，輸入直流電壓經(jīng)由電阻、12V穩壓管D601和三極管Q601、Q602組成的電路穩壓降壓后, 啟動(dòng)UC3843進(jìn)入正常工作，偏置繞組L204的供電電路開(kāi)始工作，輸出經(jīng)A4和C601整流及濾波后輸出12V電壓，高于自供電電壓，使二極管A4反偏，啟動(dòng)電路停止工作。變換器進(jìn)入正常工作后，電源依據PWM脈寬調制方式工作，次級繞組的輸出經(jīng)過(guò)二極管整流以及電容器和電感器組成的LC型濾波器濾波后，產(chǎn)生所需的各路輸出直流電壓。+5V的輸出電壓由電阻器R402和R406分壓后，與可編程穩壓源TL431(U3)中的2.5V參考電壓比較，然后通過(guò)光耦合器U2反饋到UC3843的2腳，控制脈沖的占空比，穩定5V輸出。耦合電感L202和L203實(shí)現+/-12V兩路穩壓。過(guò)流保護電阻R101、R102檢測到開(kāi)關(guān)管的過(guò)流信號，送入3843的3腳，封鎖UC3843的輸出信號，實(shí)現過(guò)流保護。
設計方案選擇
　　DC/DC模塊電源以中小功率為主,功率大都在150W之下,采用的電路拓撲以反激和正激電路為主,有時(shí)也采用推挽電路,電源要求體積小，設計時(shí)全部采用貼片元件。本模塊的主控芯片采用UC3843。
　　對于多路輸出，如果每路輸出電壓精度要求高，則每路都應設計自己獨立的閉環(huán)穩壓回路。如果只有一路是重要的負載，其他路負載較輕，并對于輸出電壓精度要求不是很?chē)栏?，則只需給重要負載所在回路加反饋控制回路。本模塊的三路輸出中，由于5V輸出是比較重要的負載，輸出電流最大(2A),12V是運算放大器供電電源, 允許電壓在1~2V范圍變化,電流較小(0.25A)，所以只在5V主路所在回路加穩壓電路，+/-12V附路的穩壓性能靠耦合電感實(shí)現。
　　單路輸出時(shí)，濾波電感采用獨立電感，但對多路輸出，輸出濾波電感不能采用獨立電感，而采用耦合電感，將三路的輸出濾波電感共同繞在一個(gè)磁芯上。這是由于只有5V主路受控，使得5V輸出電壓輸出特性較好，而+/-12V兩路較差，如果用獨立電感，會(huì )產(chǎn)生以下問(wèn)題：首先是交叉調節問(wèn)題，即主路或附路的負載變動(dòng)應起附路的附路的輸出電壓波動(dòng)的問(wèn)題；其次各路輸出有自己的濾波器，諧振點(diǎn)不同，變換器只一路受控，由于諧振頻率點(diǎn)的高阻抗特性，引起閉環(huán)環(huán)路增益下降和相移，對電流型控制回路影響特別嚴重。采用耦合電感,可降低制造成本,減小電源體積，滿(mǎn)足體積要求。
UC3843外圍電路設計
開(kāi)關(guān)頻率選擇
　　本電源設置開(kāi)關(guān)頻率為250kHz，UC3843工作頻率可達500kHz，4腳是RT/CT鋸齒波振蕩器的定時(shí)電阻和電容的公共端，對于UC3843， kHz。
啟動(dòng)電路設計
　　直流電壓經(jīng)電阻、12V穩壓管D601和三極管Q601、Q602組成的電路降壓穩壓后，為UC3843提供啟動(dòng)電壓。啟動(dòng)電壓高于8.4V時(shí)UC3843才能工作，如果啟動(dòng)電壓低，則可通過(guò)調整R601和R602的阻值來(lái)實(shí)現9.6V的啟動(dòng)電壓。
過(guò)流保護電路設計
　　R101、R102為過(guò)流檢測電阻，阻值較小，以降低電阻上的損耗。檢測電壓送入UC3843的3腳，高于1V時(shí)，過(guò)流保護電路工作，使6腳停止輸出矩形波，電路停止工作。此外還可利用UC3843的1腳電壓低于兩個(gè)二極管壓降時(shí)UC3843即關(guān)閉的特性給電源加上遙控端。
反饋誤差放大器設計
　　R302和R303構成積分型調節器，兩者的比例關(guān)系影響系統的動(dòng)態(tài)特性。改變它們的比值可以改變UC3843電壓誤差放大器的放大倍數，對于一定的反饋電壓量，可使PWM調節器的輸出脈寬不同，從而影響輸出電壓調節幅度，即影響指標中輸出的動(dòng)態(tài)響應調節幅度。積分器的電容C305的大小影響系統的調節速度，即影響指標中輸出的動(dòng)態(tài)響應時(shí)間。
高頻變壓器的設計
　　高頻變壓器磁性材料選擇的標準為高飽和磁感應,低剩磁。多路輸出變壓器一般要求有較大的窗口面積，DC/DC模塊電源可選用FEY型、FEE型、EUI型等，對于正激電路，理論上變壓器初級需有復位繞組Nr，這里考慮到變壓器腳位的問(wèn)題，選取高飽和磁感應強度的磁材，而去掉復位繞組,這樣使每次磁性都在磁化曲線(xiàn)的下部工作,避免磁芯飽和。
　　考慮高溫時(shí)飽和磁感應強度Bs會(huì )下降，同時(shí)為降低高頻工作時(shí)的磁芯損耗，工作最大磁感應在一般選擇為2000~2500Gs。這里選取高飽和磁感應強度的磁材RM2.2KD，飽和磁感應強度為440mT。
　　根據廠(chǎng)家給出的磁芯材料手冊給出的輸出功率與磁芯尺寸的關(guān)系。這里選用了FEY15.3磁芯，其有效截面積為182mm2。
　　經(jīng)計算，繞組匝數如下：原邊N1為16匝，5V主路變壓器的副邊N2為4匝, +12V附路變壓器的副邊N3為10匝，-12V附路變壓器的副邊N4為10匝。
　　繞制時(shí)由于原邊、主路副邊電流較大，為減小漏感，分別采用雙線(xiàn)并繞法，及三線(xiàn)并繞法。
輸出耦合電感設計
　　在采用一路受控，其余兩路依靠耦合電感穩壓的控制方式時(shí)，為了把輔助輸出電壓調節保持在1V的穩定范圍內，多路輸出時(shí)，主輸出的電感及每路電感要求工作在電感連續狀態(tài)。
　　耦合電感的設計方法不同于單路輸出的電感,它的設計方法是先進(jìn)行高壓支路到低壓支路的折算, 根據總輸出電流按單線(xiàn)圈選取磁芯，得到總導線(xiàn)截面積以及線(xiàn)圈導線(xiàn)尺寸、匝數。最后再分配到各支路，根據各路實(shí)際電流和次級匝比得到各線(xiàn)圈匝數和尺寸。
　　本模塊中電流連續模式電感磁芯采用與變壓器相同的材料，仍為FEY15.3。
　　電感匝數的選擇首先要滿(mǎn)足電感的匝數比等于主變壓器的輸出繞組的匝數比，在各路用相應的變壓器匝數乘以2或3倍來(lái)設計電感匝數。這里選變壓器匝數的3倍，正好可以雙線(xiàn)并繞填滿(mǎn)窗口寬度。則V01路輸出電感匝數NL201為12匝，V02路輸出電感匝數NL02為30匝，V03路輸出電感匝數NL203為30匝。偏置繞組NL204為UC3843提供12V工作電壓，由于它的輸出電壓等于V02，所以其匝數也為30匝。
　　為了滿(mǎn)足負載調整率，互感必須很好耦合。所以在纏繞各個(gè)組時(shí)，應當使用相同線(xiàn)徑的幾條導線(xiàn)并排纏繞，并覆蓋整個(gè)骨架的寬度。
其他注意事項
　　(1) 在輸出需要隔離的情況下，應提供一條可供漏級驅動(dòng)的位移電流從特定輸出流回電源初級的低抗回路。此低阻抗回路通常是一個(gè)連接在輸出接地端到主要的次級接地端上的電容(由特定輸出需要的絕緣電壓確定適當值)，此輸出接地端通過(guò)安全電容Y與初級接地端連接，如圖1中的電容C001連接在隔離的交流3.4V輸出接地端與主要的電源輸出端之間。如果沒(méi)有為隔離的輸出提供此低阻抗電容通道，由變壓器繞組間電容傳送的共模位移電流將通過(guò)任何可供選擇的路線(xiàn)返回其位于變壓器初級的源端，而通過(guò)交流輸入導線(xiàn)傳輸的位移電流可能足以導致超過(guò)規定的傳輸調整指標。這種類(lèi)型的電路是否需要附加電容依變壓器的繞組間電容而決定，如果隔離輸出與初級間的電容足夠小，可以不用此附加電容。但是必須經(jīng)測試驗證此附加元件的必要性。此外，沒(méi)有此元件，開(kāi)關(guān)管DS波形會(huì )發(fā)生振蕩。
　　(2)除了要注意滿(mǎn)載時(shí)輸出的調整率，還要顧及輕載甚至空載輸出的調整率。為了防止空載時(shí)輸出電壓太高而損壞輸出整流管，必須給每路輸出均加上死負載，死負載值大小可以用實(shí)驗方法確定，本模塊中給主路加430W，附路加1.5KW。死負載加得太大，會(huì )降低效率。另外主路和附路之間的死負載要配合調整，以滿(mǎn)足附路的電壓范圍。
　　(3)輸出空載電壓可由TL431的分壓電阻確定，當空載輸出電壓低時(shí)，可減小R406，保證TL431的2.5V基準，通過(guò)調整分壓電阻R402、R406的比值可調整輸出空載電壓。當不能滿(mǎn)足空載負載調整率時(shí)，可適當改變整流管參數。
　　(4)在布局布線(xiàn)時(shí)，各個(gè)元器件依照原理圖次序依次擺放，開(kāi)關(guān)管漏極與變壓器原邊的連線(xiàn)要盡量短，UC3843所有的外圍元器件要盡可能靠近它自己，尤其是去耦電容和旁路電容必須布在相應的管腳附近，必須在變壓器、開(kāi)關(guān)管等發(fā)熱器件附近通過(guò)多個(gè)過(guò)孔把地層與散熱焊盤(pán)相連以提高散熱效果。