基于Buck-Boost電路的寬輸出電壓AC-DC電源設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種寬輸出電壓的AC-DC開關(guān)電源，其主要特征是輸出電壓可以在較大范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，解決了傳統(tǒng)的開關(guān)電源只能輸出幾個(gè)特定電壓值的問題。該設(shè)計(jì)的核心是反激變換電路和Buck-Boost電路。分析了這兩種電路的工作原理及其應(yīng)用，并且給出了具體的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的電源能較好地實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的寬范圍調(diào)節(jié)。
關(guān)鍵詞：Buck-Boost電路；寬輸出電壓；AC-DC電源；反激變換

0 引言
電源裝置是電力電子系統(tǒng)重要的組成部分，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響到被供電設(shè)備性能的發(fā)揮。高頻開關(guān)電源由于具有效率高、體積小和重量輕等特點(diǎn)，獲得了廣泛的應(yīng)用。AC-DC開關(guān)電源就是把交流電轉(zhuǎn)換為設(shè)備需要的直流電的一種裝置。而現(xiàn)有的AC-DC開關(guān)電源只能輸出幾個(gè)特定電壓值，如：220 VAC-15 VDC／12 VDC／5 VDC等，不能實(shí)現(xiàn)輸出電壓在較大范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。這大大限定了開關(guān)電源的應(yīng)用。
本文介紹的PWM脈沖調(diào)節(jié)電路選用芯片UC3842。它是美國Unitrode公司生產(chǎn)的一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制器芯片，工怍環(huán)境溫度在-50～150℃之間，具備優(yōu)良的脈寬調(diào)制特性。此外由于微控制器具備較高的性價(jià)比和良好的控制特性，所以選擇微控制器作為Buck-Boost電路的PWM信號(hào)發(fā)生器。

1 UC3842簡介
UC3842是一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制芯片，為8腳雙列直插形式。該凋制器單端輸出，能直接驅(qū)動(dòng)雙極型的功率管或場效應(yīng)管。它主要優(yōu)點(diǎn)有管腳效應(yīng)少，外圍電路簡單，電壓調(diào)整率可達(dá)0．01％，工作頻率高達(dá)500 kHz，啟動(dòng)電流小于1 mA，正常工作電流為5 mA，占空比可調(diào)且最大可達(dá)99％，并可利用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的隔離。此外該芯片具備過流和過壓等保護(hù)功能。該芯片集成了振蕩器、具有高溫補(bǔ)償?shù)母咴鲆嬲`差放大器、電流檢測比較器、圖騰柱輸出電流、輸入和基準(zhǔn)欠電壓鎖定電路以及PWM鎖存器電路等。
可見電流控制型脈寬調(diào)制器UC3842能產(chǎn)生頻率固定而脈沖寬度可調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制大功率晶體管的通斷狀態(tài)來調(diào)節(jié)輸出電壓的高低，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。并且可通過構(gòu)成閉環(huán)電壓反饋來達(dá)到較高的穩(wěn)壓度。

2 AC-DC電源的電路結(jié)構(gòu)
為了實(shí)現(xiàn)寬輸出電壓的AC-DC電源的設(shè)計(jì)，本文采用如圖1所示的電路結(jié)構(gòu)圖。主要由市電接入電路、反激變換電路、濾波電路、UC3842 PWM調(diào)節(jié)電路、Buck-Boost變換電路及其驅(qū)動(dòng)電路和微控制器等組成。其中市電接入電路、反激變換電路、濾波電路和UC3842PW調(diào)節(jié)電路構(gòu)成了高頻開關(guān)電源，其作用是實(shí)現(xiàn)交流電AC到直流電DC的轉(zhuǎn)換，以及為驅(qū)動(dòng)芯片等提供電源。Buck-Boost變換電路的作用是把前級(jí)輸出的直流電壓V變換為需要的直流電壓值，作為系統(tǒng)的輸出電壓。該設(shè)計(jì)的電壓調(diào)節(jié)正是通過Buck-Boost變換電路實(shí)現(xiàn)的。驅(qū)動(dòng)電路把微控制器產(chǎn)生的PWM0信號(hào)變換為可以直接驅(qū)動(dòng)Buck-Boost變換電路的信號(hào)。

圖1中的濾波電路一般采用LC濾波，從而可以得到較好的直流輸出。
2．1 單端反激式變換電路
單端反激變換電路是高頻開關(guān)電源的核心部分。其典型電路如圖2所示。電路的輸入Vin為220 V交流電，經(jīng)市電輸入電路后得到的300 V直流電，輸出可以為多組直流電。單端反激變換電路一個(gè)重要特點(diǎn)是變壓器的線圈充當(dāng)了電感的角色。

所謂的單端，是指高頻變換器的磁芯僅工作在磁滯回線的一側(cè)。所謂的反激，是指當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，變壓器T的初級(jí)電壓感應(yīng)到次級(jí)，但是由于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)上負(fù)下正，所以整流二極管D1處于截止?fàn)顟B(tài)，從而能量儲(chǔ)存在初級(jí)繞組中；當(dāng)開關(guān)管Q1截止時(shí)，此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通過變壓器的繞組耦合到次級(jí)，由于次級(jí)的同名端和初級(jí)是相反的，所以次級(jí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是上正下負(fù)，次級(jí)整流二極管D1導(dǎo)通，初級(jí)電感在Q1開通時(shí)儲(chǔ)存的能量通過磁芯耦合到次級(jí)電感，然后通過次級(jí)線圈釋放到次級(jí)輸出電容C1中，對(duì)電容進(jìn)行充電，同時(shí)為負(fù)載供電。當(dāng)Q1再次導(dǎo)通時(shí)，由電容C1對(duì)負(fù)載供電。從而實(shí)現(xiàn)了輸出為直流電。
2．2 Buck-Boost電路
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻開關(guān)電源的輸出電壓進(jìn)行大范圍的調(diào)節(jié)，本文采用了Buck-Boost電路。BuckBoost電路是降壓-升壓變換器，也稱為反號(hào)變換器。其可實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻開關(guān)電源的輸出電壓的升壓／降壓調(diào)節(jié)，基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。Buck-Boost電路主要有開關(guān)管Tr、電感L、二極管D2和濾波電容C4組成，L1和C2以及L2和C3構(gòu)成了兩個(gè)LC濾波電路。Buck-Boost電路的工作原理：當(dāng)開關(guān)管Tr導(dǎo)通時(shí)，電流Is流過電感線圈L，L存儲(chǔ)能量。當(dāng)開關(guān)管Tr斷開時(shí)，IL有減小的趨勢(shì)，電感線圈L產(chǎn)生的自感電勢(shì)反向，為下正上負(fù)，二極管D1受正向偏壓而導(dǎo)通，從而為負(fù)載供電并且為濾波電容C4充電。當(dāng)開關(guān)管再次導(dǎo)通時(shí)，有C4為負(fù)載供電。由于輸入電壓V與輸出電壓VDC反向，所以Buck-Boost也稱為反號(hào)變換器。通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間占空比D能實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓V的升壓或降壓的調(diào)節(jié)。

在連續(xù)電流工作模式下輸入電壓V與輸出電壓VDC滿足如下關(guān)系式：

從上式可知道開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間占空比D=50％為變換器的降壓和升壓的臨界點(diǎn)。當(dāng)占空比D50％時(shí)，VDCV，從而實(shí)現(xiàn)了降壓的變換；當(dāng)占空比D>50％時(shí)，VDC>V，從而實(shí)現(xiàn)了升壓的變換?？梢娡ㄟ^調(diào)節(jié)占空比D可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓的調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸出電壓能在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。