15W三路輸出DC/DC模塊電源設(shè)計(jì)

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(xì)設(shè)計(jì)過程，重點(diǎn)討論了多路輸出模塊電源設(shè)計(jì)與單路輸出的不同，詳細(xì)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(shù)的設(shè)計(jì)，給出了多路輸出模塊電源中變壓器和耦合電感的設(shè)計(jì)過程及滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)應(yīng)注意的各種問題。
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(yīng)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(dá)、消防設(shè)備和醫(yī)療器械教學(xué)設(shè)備等諸多領(lǐng)域，其中有許多應(yīng)用場合需要多路輸出，如在單片機(jī)智能控制器中，單片機(jī)供電需要5V，而運(yùn)放通常需要12V。在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、各路的穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)，又要考慮每路輕載及滿載的負(fù)載調(diào)整率，以及負(fù)載的交叉調(diào)節(jié)特性等。本文將通過一個(gè)給單片機(jī)智能控制器供電的15W三路模塊電源的設(shè)計(jì)實(shí)例來詳細(xì)說明多路輸出模塊電源的設(shè)計(jì)。

　　　　　　　　　　　　　圖1多路輸出開關(guān)電源原理圖
模塊電源的工作原理
　　本文針對單片機(jī)主板供電電源所設(shè)計(jì)的多路輸出開關(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(dāng)變換器接通電源時(shí)，輸入直流電壓經(jīng)由電阻、12V穩(wěn)壓管D601和三極管Q601、Q602組成的電路穩(wěn)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(jù)PWM脈寬調(diào)制方式工作，次級繞組的輸出經(jīng)過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(wěn)壓源TL431(U3)中的2.5V參考電壓比較，然后通過光耦合器U2反饋到UC3843的2腳，控制脈沖的占空比，穩(wěn)定5V輸出。耦合電感L202和L203實(shí)現(xiàn)+/-12V兩路穩(wěn)壓。過流保護(hù)電阻R101、R102檢測到開關(guān)管的過流信號，送入3843的3腳，封鎖UC3843的輸出信號，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。
設(shè)計(jì)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?fù)湟苑醇ず驼る娐窞橹?有時(shí)也采用推挽電路,電源要求體積小，設(shè)計(jì)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(yīng)設(shè)計(jì)自己獨(dú)立的閉環(huán)穩(wěn)壓回路。如果只有一路是重要的負(fù)載，其他路負(fù)載較輕，并對于輸出電壓精度要求不是很嚴(yán)格，則只需給重要負(fù)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(fù)載，輸出電流最大(2A),12V是運(yùn)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(wěn)壓電路，+/-12V附路的穩(wěn)壓性能靠耦合電感實(shí)現(xiàn)。
　　單路輸出時(shí)，濾波電感采用獨(dú)立電感，但對多路輸出，輸出濾波電感不能采用獨(dú)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(dú)立電感，會(huì)產(chǎn)生以下問題：首先是交叉調(diào)節(jié)問題，即主路或附路的負(fù)載變動(dòng)應(yīng)起附路的附路的輸出電壓波動(dòng)的問題；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(yán)重。采用耦合電感,可降低制造成本,減小電源體積，滿足體積要求。
UC3843外圍電路設(shè)計(jì)
開關(guān)頻率選擇
　　本電源設(shè)置開關(guān)頻率為250kHz，UC3843工作頻率可達(dá)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(shè)計(jì)
　　直流電壓經(jīng)電阻、12V穩(wěn)壓管D601和三極管Q601、Q602組成的電路降壓穩(wěn)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，則可通過調(diào)整R601和R602的阻值來實(shí)現(xiàn)9.6V的啟動(dòng)電壓。
過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)
　　R101、R102為過流檢測電阻，阻值較小，以降低電阻上的損耗。檢測電壓送入U(xiǎn)C3843的3腳，高于1V時(shí)，過流保護(hù)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(shè)計(jì)
　　R302和R303構(gòu)成積分型調(diào)節(jié)器，兩者的比例關(guān)系影響系統(tǒng)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(shù)，對于一定的反饋電壓量，可使PWM調(diào)節(jié)器的輸出脈寬不同，從而影響輸出電壓調(diào)節(jié)幅度，即影響指標(biāo)中輸出的動(dòng)態(tài)響應(yīng)調(diào)節(jié)幅度。積分器的電容C305的大小影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度，即影響指標(biāo)中輸出的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。
高頻變壓器的設(shè)計(jì)
　　高頻變壓器磁性材料選擇的標(biāo)準(zhǔn)為高飽和磁感應(yīng),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(fù)位繞組Nr，這里考慮到變壓器腳位的問題，選取高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁材，而去掉復(fù)位繞組,這樣使每次磁性都在磁化曲線的下部工作,避免磁芯飽和。
　　考慮高溫時(shí)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)在一般選擇為2000~2500Gs。這里選取高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁材RM2.2KD，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為440mT。
　　根據(jù)廠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(jì)算，繞組匝數(shù)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，分別采用雙線并繞法，及三線并繞法。
輸出耦合電感設(shè)計(jì)
　　在采用一路受控，其余兩路依靠耦合電感穩(wěn)壓的控制方式時(shí)，為了把輔助輸出電壓調(diào)節(jié)保持在1V的穩(wěn)定范圍內(nèi)，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(xù)狀態(tài)。
　　耦合電感的設(shè)計(jì)方法不同于單路輸出的電感,它的設(shè)計(jì)方法是先進(jìn)行高壓支路到低壓支路的折算, 根據(jù)總輸出電流按單線圈選取磁芯，得到總導(dǎo)線截面積以及線圈導(dǎo)線尺寸、匝數(shù)。最后再分配到各支路，根據(jù)各路實(shí)際電流和次級匝比得到各線圈匝數(shù)和尺寸。
　　本模塊中電流連續(xù)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(shù)的選擇首先要滿足電感的匝數(shù)比等于主變壓器的輸出繞組的匝數(shù)比，在各路用相應(yīng)的變壓器匝數(shù)乘以2或3倍來設(shè)計(jì)電感匝數(shù)。這里選變壓器匝數(shù)的3倍，正好可以雙線并繞填滿窗口寬度。則V01路輸出電感匝數(shù)NL201為12匝，V02路輸出電感匝數(shù)NL02為30匝，V03路輸出電感匝數(shù)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(shù)也為30匝。
　　為了滿足負(fù)載調(diào)整率，互感必須很好耦合。所以在纏繞各個(gè)組時(shí)，應(yīng)當(dāng)使用相同線徑的幾條導(dǎo)線并排纏繞，并覆蓋整個(gè)骨架的寬度。
其他注意事項(xiàng)
　　(1) 在輸出需要隔離的情況下，應(yīng)提供一條可供漏級驅(qū)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(dāng)值)，此輸出接地端通過安全電容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任何可供選擇的路線返回其位于變壓器初級的源端，而通過交流輸入導(dǎo)線傳輸?shù)奈灰齐娏骺赡茏阋詫?dǎo)致超過規(guī)定的傳輸調(diào)整指標(biāo)。這種類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(yàn)證此附加元件的必要性。此外，沒有此元件，開關(guān)管DS波形會(huì)發(fā)生振蕩。
　　(2)除了要注意滿載時(shí)輸出的調(diào)整率，還要顧及輕載甚至空載輸出的調(diào)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(fù)載，死負(fù)載值大小可以用實(shí)驗(yàn)方法確定，本模塊中給主路加430W，附路加1.5KW。死負(fù)載加得太大，會(huì)降低效率。另外主路和附路之間的死負(fù)載要配合調(diào)整，以滿足附路的電壓范圍。
　　(3)輸出空載電壓可由TL431的分壓電阻確定，當(dāng)空載輸出電壓低時(shí)，可減小R406，保證TL431的2.5V基準(zhǔn)，通過調(diào)整分壓電阻R402、R406的比值可調(diào)整輸出空載電壓。當(dāng)不能滿足空載負(fù)載調(diào)整率時(shí)，可適當(dāng)改變整流管參數(shù)。
　　(4)在布局布線時(shí)，各個(gè)元器件依照原理圖次序依次擺放，開關(guān)管漏極與變壓器原邊的連線要盡量短，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(yīng)的管腳附近，必須在變壓器、開關(guān)管等發(fā)熱器件附近通過多個(gè)過孔把地層與散熱焊盤相連以提高散熱效果。