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基于UC3844的多路输出电源设计详解

  本文给出了一种用于电机控制的新型多输出反激电源的设计。该设计基于UC3844高性能电流型PWM控制器。电压反馈和电流反馈双闭环串级结构,使输出电压能够很好地稳定,电压调整率和负载调整率都较高。光耦H11A1和三端可调稳压管TL431配合控制大大提高了瞬态响应速度。RCD(剩余电流保护装置)吸收回路和开关管保护电路能很好地消除漏感,使元件稳定可靠地工作。

  1、电流型PWM控制原理

  电流型PWM控制系统框图如图1所示。

  该系统采用电流电压双闭环串级控制结构,内环是电流环,外环是电压环。控制原理是:给定的电压Ug与从输出反馈回的电压Ur进行比较,得到的电压误差经电压调节器输出作为另一个给定的电压信号Ue。该信号与经电阻采样反映电流变化的信号Us进行比较,输出一个占空比可调节的PWM脉冲信号,从而使得输出的电压信号V0保持恒定。

  2、电流型PWM控制的优点

  a)电压调整率好

  输入电压的变化立即引起电感电流的变化,电感电流的变化立即反映到电流控制回路而被抑制,不像电压控制要经过输出电压反馈到误差放大器,然后再调节的复杂过程,所以响应快。如果输入电压的变化是持续的,电压反馈环也起作用,因而可以达到较高的线形调整率。

  b)负载调整率好

  由于电压误差放大器可专门用于控制占空比,以适应负载变化造成的输出电压的变化,因而可大大改善负载调整率。

  c)系统稳定性好

  从控制理论的角度讲,电压控制单闭环系统是一个无条件的二阶稳定系统。而电流控制双闭环系统是一个无条件的一阶稳定系统,系统稳定性好。

  UC3844是电流型单端输出式PWM控制芯片,它主要由高频振荡、误差比较、电流取样比较、脉宽调制锁存、欠压锁定、过压保护等功能电路组成。图2为UC3844内部结构框图和引脚图。引脚1为误差放大器补偿端,引脚2接电压反馈信号,引脚3接电流检测信号,引脚4外接时间电阻RT及CT用来设置振荡器的频率,引脚5为接地端,引脚6为推挽输出端,可提供大电流图腾柱输出,引脚7接芯片工作电压,引脚8提供5V的基准电压。

  

  UC3844的工作原理是:反馈电压和2.5V基准电压之差,经误差放大器E/A放大后作为门限电压,与反馈电流经采样后的电压一起送到电流感应比较器。当电流取样电压超过门限电压后,比较器输出高电平触发RS触发器,然后经或非门输出低电平,关断功率管,并保持这种状态直至OSC(振荡器)输出脉冲到触发器和或非门为止。这段时间的长短由OSC输出脉冲宽度决定。PWM信号的上升沿由OSC决定,下降沿由功率开关管电流和输出电压共同决定。反转触发器限制PWM的占空比调节范围在0~50%之内。

  1、主电路拓扑

  

  图3所示多路输出开关电源是专为电机控制设计的。主电路采用单端反激式变换电路。220V交流输入电压经桥式整流、电容滤波变为直流后,供给单端反激式变换电路。反激式变换电路结构具有电气隔离、易于多路输出、外接元器件少、可靠性高等优点。其中12V/0.2A、24V/1A、?15V/0.5A的输出绕组分别为UC3844、继电器和其他模拟电路供电。5V/2A输出是重要的一路输出信号,它除了用于稳压外,还为电机控制用的数字板电源提供5V电源。

  2、高频变压器设计

  单端反激式变压器可工作在CCM(电流连续模式)和DCM(电流断续模式)。在不同的工作模式下,变压器的设计是不一样的。这里将变压器设计在工作于CCM模式下。

  根据开关管导通时的伏秒数应等于关断时的伏秒数,可推导出原边匝数与副边匝数比为:

  

  式中:A为额定工作状态时的工作比;UP1为变压器输入电压,220V交流输入电压经整流后得到约300V高压,所以UP1取300V;UP2为5V绕组输出电压。单端反激式开关电源变压器的临界电感为:

  

  高频变压器磁心气隙为:

  

  3、漏感消除电路

  1)RCD吸收回路

  在反激变换器中,由于高频变压器兼作储能电感用,因而气隙大,漏感亦较大。一方面,会产生开关管关断时很高的电压尖峰,另一方面,整流二极管反向恢复会引起开关管开通时的电流尖峰。为了解决这个问题,本设计采用R18、C36、D15构成的无源钳位电路消除电路中存在的漏感。该电路简单方便,容易实现,在小功率的情况下能达到较好的抑制效果。

  开关管Q1关断时,变压器漏感能量转移到电容C36上,然后电阻R18将这部分能量消耗掉。Q1导通过程中,C36没有放电到0,那么Q1的漏源电压上升的一段时间内,电容不起作用,有利于反激过冲。

  2)开关管保护电路

  R16、D14、C35构成的开关管保护电路可以消除开关管漏源间产生的反峰电压。Q1关断时,Q1上电流下降,变压器漏感会阻止电流减小,一部分电流继续流过Q1,另一部分通过D14对C35充电。C35的存在减缓了漏源间电压的上升。C35越大,漏源间电压上升得越慢,这样可以降低开关管的损耗。

  在选用续流二极管D14时选择了肖特基二极管。这种二极管在峰值电流为3A时,导通电压通常很小。

  1、UC3844的启动和振荡频率的设定

  R3为UC3844AN的启动电阻,UC3844AN的启动电压为16V,当引脚7的输入电压高于34V时,UC3844AN内部的稳压管将电压稳定在34V。芯片启动后,变压器有耦合输出,12V供电绕组有12V输出,由D5、D6、D7、C26、C23、C24构成的电路为UC3844AN提供正常工作时的电压。

  UC3844芯片引脚4和引脚8之间接时间电阻R12,引脚4和引脚5接时间电容C33,引脚8的5V基准电压经R12给C33充电,振荡工作频率f=1.72/(C33R12)(kHz),C33单位为LF,R12单位为k8。

  2、电压反馈电路

  在PWM双环控制系统中,电压环的作用是稳定输出电压,在输入电压或负载扰动下保持输出稳定。图3左下角电路为5V电压反馈电路。

  变压器5V输出通过三端可调稳压管TL431和光耦H11A1以电压反馈的形式反馈到UC3844的引脚2。当5V输出绕组的电压大于5V时,加在三端可调稳压管上的参考电压升高,流过H11A1中二极管的电流增大,三极管上的电流也相应地增大,即UC3844的引脚2电压升高,误差放大器输出电压降低,占空比减小,流过开关管的峰值电流减小,使输出电压降低。5V输出电压小于5V时的情况与上述过程相反。

  3、电流反馈电路

  采样电阻R17上的电压反映了变压器T1原边绕组上的电流大小。当开关管Q1导通时,R17上的电流逐渐增大,压降增加,通过R13将该电压反馈到芯片引脚3,该电压与电流比较器的另一端进行比较,当此压降达到一定值时,锁存器复位,开关管截止。

  正常运行时,R17的峰值电压由误差放大器控制,满足

  对设计的电路进行了实验。图4为此开关电源5V输出的电压纹波。

  

  测得峰值为30mV,纹波不超过0.6%。表1为该开关电源空载和带载能力测试结果,其中5V带载38,?15V分别带载308,24V带载158。实验表明该开关电源纹波小,负载调整率高,稳压效果好。