1 總體方案設(shè)計(jì)

本文要設(shè)計(jì)的電源模塊主要參數(shù)如下：
輸入電壓Vin：18V～36V，標(biāo)稱24V;
輸出電壓Vout：±(12.00±0.36)V；
輸出電流Iout：0.42A；
輸出電壓紋波Vopp：≤100mV；
電源轉(zhuǎn)換效率η：≥70%；
電源包絡(luò)尺寸LWH:50mm25mm10mm。

根據(jù)上述電源設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，輸出功率為10W，雙路輸出，可以選用正激式和反激式拓?fù)?，但考慮到輸出電流較小，尺寸要求較高，正激式需要增加額外的次級(jí)儲(chǔ)能電感，故選擇反激式拓?fù)渥鳛榭傮w方案。反激式拓?fù)浔容^適用于功率小，多路輸出的場(chǎng)合，具有體積小，成本低等優(yōu)勢(shì)。由于多路輸出只有一個(gè)主控回路，因此除了主控回路，其他路輸出精度主要靠變壓器各個(gè)繞組之間的匝比和耦合精度來(lái)決定，所以該類(lèi)電源輸出電壓精度要求相對(duì)單路輸出(不超過(guò)1%)的要低，一般為3%～5%，如果要求其他路輸出精度也較高，可以考慮增加LDO器件。

本設(shè)計(jì)總體方案如圖1所示。24V直流電源經(jīng)濾波后一路經(jīng)過(guò)啟動(dòng)電路給PWM控制器供電，另一路送到變壓器初級(jí)，經(jīng)過(guò)由PWM控制器驅(qū)動(dòng)的斬波電路將其變成高頻方波。次級(jí)整流電路和LC濾波電路將經(jīng)過(guò)變壓器變比后的高頻方波重新整流成穩(wěn)定的直流電壓，反激變壓器的輔助繞組產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)的輔助電源，用來(lái)給PWM控制器供電，此時(shí)啟動(dòng)電路自動(dòng)關(guān)閉輸出。

次級(jí)電壓采樣電路和電壓誤差比較器以及光耦隔離電路組成電壓反饋回路，電壓反饋信號(hào)送到PWM控制器的電壓反饋端，以便根據(jù)輸出電壓的變化增加或減少驅(qū)動(dòng)電路的占空比輸出，使輸出電壓穩(wěn)定在額定值。PWM控制器還采集電源初級(jí)回路電流信號(hào)，用來(lái)設(shè)置過(guò)流保護(hù)點(diǎn)。

圖1 總體方案設(shè)計(jì)原理圖

2 電路方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)中采用的主控制芯片為美國(guó)優(yōu)拓創(chuàng)公司(UNITRODE)的UC2843單端PWM控制芯片，如今TI，ON也都有同型號(hào)的芯片提供，可互換，技術(shù)成熟可靠，性價(jià)比很高，非常適合工業(yè)應(yīng)用。

該芯片主要功能如下：

UC2843是一種高性能固定頻率電流模式開(kāi)關(guān)電源控制芯片，可用于離線或DCDC變換器設(shè)計(jì)，只需要很少的外圍元件就能實(shí)現(xiàn)低成本高收益的解決方案。該芯片具有可微調(diào)的振蕩器，能進(jìn)行精確地占空比控制，同時(shí)內(nèi)置溫度補(bǔ)償，高增益誤差放大器，電流取樣比較器，圖騰柱式大電流輸出等，可直接推動(dòng)MOSFET。

其他的保護(hù)功能還有輸入和參考電壓欠壓鎖定，逐周期限流，過(guò)熱保護(hù)等。
其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 UC2843內(nèi)部功能模塊圖

該芯片各個(gè)引腳功能如下表所示：

引腳 功能 引腳功能說(shuō)明

1 COMP，補(bǔ)償引腳 為內(nèi)部誤差放大器輸出，亦可用作環(huán)路補(bǔ)償
2 FB，電壓反饋引腳 電壓反饋輸入端，此腳電壓與內(nèi)部誤差放大器同相端的2.50V作比較，產(chǎn)生誤差信號(hào)，調(diào)整PWM占空比
3 Isen,電流取樣引腳 電流檢測(cè)輸入端，當(dāng)電壓超過(guò)1V后關(guān)閉PWM輸出
4 CT，定時(shí)器引腳 芯片的工作頻率由外部RC的時(shí)間常數(shù)決定，F(xiàn)=1.72/(RT*CT)
5 GND，公共地 初級(jí)控制電和功率電的參考接地端
6 OUT，驅(qū)動(dòng)端 MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)端，可提供1A的拉和灌電流
7 Vcc，芯片電源端 直流電源供電端，具有欠壓、過(guò)壓保護(hù)功能
8 Vref，基準(zhǔn)電源端 5V基準(zhǔn)電源輸出端，最大可輸出10mA電流

2.1主功率電路模塊設(shè)計(jì)

主要包括輸入LC濾波電路，初級(jí)開(kāi)關(guān)變換電路，雙路輸出反激變壓器，初級(jí)箝位電路，初級(jí)電流采樣電路，次級(jí)主路和輔路整流濾波電路等，此部分電路模塊為反激拓?fù)涞闹鞲?，?fù)責(zé)主要功率的傳輸，如圖3所示。

圖3 反激式主功率模塊電路圖

其中Uin提供直流電源，額定電壓為24V，供電范圍為18～36V，L2和C7為輸入濾波電路，D4，C6，R2為初級(jí)箝位電路，在Q1關(guān)斷時(shí)吸收反向電壓尖峰。

當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，反激變壓器(相當(dāng)于電感)儲(chǔ)存能量，但不傳輸能量，其中D2為輔助電源繞組，用來(lái)給控制芯片供電，D1，D2，D3均為截止?fàn)顟B(tài)，Vcc和±12V負(fù)載均由各自的儲(chǔ)能電容供電；

當(dāng)Q1斷開(kāi)時(shí)，D1，D2，D3均為導(dǎo)通狀態(tài)，反激變壓器釋放在Q1導(dǎo)通期間儲(chǔ)存的能量，即變壓器通過(guò)D1，D2，D3向各自的負(fù)載供電，同時(shí)給C1～C5充電。

R1和R3為輸出假負(fù)載，用來(lái)穩(wěn)定輸出電壓，R4為初級(jí)電流采樣電阻，用來(lái)給主控制芯片提供初級(jí)電流反饋值，并可設(shè)置過(guò)流保護(hù)點(diǎn)。

如此，一個(gè)工作循環(huán)結(jié)束。當(dāng)Q1再次導(dǎo)通時(shí)，重復(fù)上述過(guò)程。

2.2主控制電路模塊設(shè)計(jì)

主要包括主控制芯片及外圍電路，啟動(dòng)電源電路，初級(jí)過(guò)流保護(hù)電路，遙控開(kāi)關(guān)機(jī)控制電路等，此部分電路模塊為控制電路的主干，負(fù)責(zé)整個(gè)正激變換器的開(kāi)關(guān)過(guò)程控制。這部分電路如圖4所示。

圖4反激式主控制模塊電路圖

其中U1為主控制芯片UC2843B，可提供反激式DCDC變換所需的柵極驅(qū)動(dòng)，電壓電流反饋，開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定，環(huán)路補(bǔ)償?shù)人泄δ?。R5、C6為電壓反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，R6、C12、R7、C9為電壓反饋濾波電路，R9、R11為啟動(dòng)瞬間提供電流閉環(huán)的上拉電阻，C11為斜坡補(bǔ)償電容，R10、C10為開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定電阻和電容，R3、D5、C4、Q2、R4組成啟動(dòng)電路，主要作用是在開(kāi)機(jī)瞬間為控制芯片供電，C5、C7為儲(chǔ)能電容，一般取值1uF～2.2uF。

2.3反饋電路模塊設(shè)計(jì)

主要包括輸出電壓采集電路，輸出電壓調(diào)整電路，初級(jí)次級(jí)隔離反饋電路等，此部分電路模塊為上述兩個(gè)電路模塊的紐帶，使主功率電路模塊和主控制電路模塊構(gòu)成了一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)。這部分電路如圖5所示。

圖5 反激式反饋模塊電路圖

其中R8為T(mén)L431精密穩(wěn)壓器以及光耦初級(jí)的限流電阻，R11、C15為T(mén)L431的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，R9、R18構(gòu)成輸出電壓采樣電路，將輸出電壓按比例分壓后送到TL431穩(wěn)壓器的電壓比較器輸入端，和其內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓相比較。R15為光耦次級(jí)的限流電阻，其上的電壓FB降即為輸出電壓的反饋值，F(xiàn)B直接加到控制回路的電壓反饋端，從而構(gòu)成一個(gè)完整的電壓反饋回路。

上述三個(gè)電路模塊構(gòu)成了一個(gè)完整的反激拓?fù)渥儞Q器，在PCB布板時(shí)采用單面布件另一面鋪地的雙層板結(jié)構(gòu)，并保證初級(jí)電路電流回路面積最小[5]。在額定的輸入電壓變化和輸出負(fù)載變化范圍內(nèi)，使輸出電壓始終保持穩(wěn)定，同時(shí)保證電源里的各個(gè)器件(尤其是各個(gè)功率器件)電壓電流應(yīng)力、溫升等參數(shù)都在合理的范圍內(nèi)，使開(kāi)關(guān)電源模塊能可靠地工作。

3 電源樣機(jī)調(diào)試及結(jié)果分析

3.1 開(kāi)機(jī)波形：

由圖7左圖開(kāi)機(jī)波形可知該電源電壓輸出快速穩(wěn)定，無(wú)過(guò)沖，無(wú)阻尼震蕩。
由圖7右圖關(guān)機(jī)波形可知該電源輸出電壓關(guān)斷迅速，無(wú)震蕩，無(wú)電壓毛刺。

圖7 雙路輸出DCDC電源模塊開(kāi)關(guān)機(jī)波形

3.2 正常工作波形：

由圖8電源模塊滿載時(shí)輸出電壓波形和電流波形可知電源電路環(huán)路設(shè)計(jì)合理，工作時(shí)電壓輸出穩(wěn)定，精度高；

圖8 雙路輸出DCDC電源模塊輸出電壓波形

3.3 輸出電壓紋波：

由圖9可知電源模塊輸出紋波為30mV左右，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖9 雙路輸出DCDC電源模塊輸出電壓紋波波形

3.4 主要功率器件溫升情況

圖10 主要功率器件溫升照片(從左往右為主控IC、變壓器、整流管)

由圖10各個(gè)溫度參數(shù)可知，功率器件溫升最高的為主控制器芯片和輸出整流二極管，溫升約為40℃，這是在裸板情況下測(cè)得數(shù)據(jù)。將電源板裝入散熱較好的鋁制金屬殼，并灌入導(dǎo)熱系數(shù)較高的硅橡膠，在滿載輸出的情況下，連續(xù)工作2小時(shí)以上，外殼溫度熱像儀照片見(jiàn)圖11所示。

圖11 電源模塊滿載時(shí)金屬外殼照片

5)測(cè)試數(shù)據(jù)整理

經(jīng)過(guò)實(shí)際帶載測(cè)試，輸出電壓在負(fù)載電流為0.1A，0.2A，0.3A，0.42A時(shí)均能穩(wěn)定在±11.85～12.15V；
帶純阻性負(fù)載輸出電壓紋波80mV左右；
電源在輸出±12V/0.3A時(shí)效率最高，達(dá)到了74%。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)上述整體方案設(shè)計(jì)、各模塊電路設(shè)計(jì)、關(guān)鍵器件選型等步驟，在規(guī)定的尺寸體積內(nèi)順利完成10W正激式開(kāi)關(guān)電源模塊設(shè)計(jì)。

綜合上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該電源設(shè)計(jì)方案開(kāi)關(guān)機(jī)指標(biāo)良好，無(wú)震蕩和過(guò)沖，正常帶載時(shí)輸出電壓波形平穩(wěn)，紋波小，長(zhǎng)時(shí)間帶載各器件溫升都在合理范圍內(nèi)。本設(shè)計(jì)采用的技術(shù)成熟實(shí)用，性能可靠，成本低廉，利于電源產(chǎn)品批量生產(chǎn)，具有很好的技術(shù)應(yīng)用價(jià)值。