基于UC3842的電動車用開關(guān)電源設(shè)計(jì)

　　電動車是目前零排放的機(jī)動車，作為綠色交通工具，將在21世紀(jì)給人類社會帶來巨大的變化。而直流無刷電機(jī)憑借著其優(yōu)良的性能已經(jīng)成為電動車電機(jī)領(lǐng)域的主流技術(shù)和發(fā)展方向。性能優(yōu)良的無刷電機(jī)系統(tǒng)離不開性能優(yōu)良的控制模塊，而控制模塊的性能在很大程度上取決于供電電源的性能，所以高質(zhì)量的供電電源系統(tǒng)在整個(gè)電動車系統(tǒng)中占有相當(dāng)重要的位置。

　　直流無刷電機(jī)的控制模塊是采用微控制器的數(shù)字控制的電子系統(tǒng)。基于UC3842高性能電流模式PWM發(fā)生器控制的開關(guān)電源適合應(yīng)用于此類系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)通過小型高頻變壓器實(shí)現(xiàn)輸出和輸入的完全隔離，不僅提高了電源的效率，簡化了外圍電路，也降低了電源的成本和體積。電源輸出電壓穩(wěn)定，波紋小，不間斷，性能可靠。

　　1 單端反激式變換電路的基本結(jié)構(gòu)

　　單端反激式變換的典型結(jié)構(gòu)如圖1。單端是指變壓器的磁心僅工作在磁滯回線的一側(cè);反激是指當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，在初級線圈中儲存能量，而次級線圈不通;當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉的時(shí)候，初級線圈中的能量通過次級線圈釋放給負(fù)載。這是一種成本低的調(diào)整器，可以做到輸入輸出部分的完全隔離，有較好的電壓調(diào)整率。

　　2 UC3842芯片的性能特點(diǎn)

　　UC3842芯片是Unitrode公司的產(chǎn)品，是一種高性能的單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制器芯片。其原理框圖如圖2所示。

　　由5V基準(zhǔn)電壓源、控制占空比調(diào)定的振蕩器、電流測定比較器、PWM 鎖存器、高增益E/A誤差放大器和適用于驅(qū)動功率MOSFET的大電流推挽輸出電路等組成。其主要特點(diǎn)是：

　　外接元件少，外圍電路簡單，價(jià)格便宜。

　　無需輸入變壓器，起動電流小(1 mA)。

　　具有精密的電壓基準(zhǔn)源(±1%)。

　　大電流(1A)PWM 輸出級，可直接驅(qū)動功率MOS管。

　　有欠電壓封鎖和過電流保護(hù)功能。

　　工作頻率可達(dá)500 kHz。

　　UC3842芯片能同時(shí)滿足較好的電氣性能和較低的成本，因而被廣泛地用于20～50 W 的小功率開關(guān)電源。圖中8腳是其內(nèi)部基準(zhǔn)電壓(5 V);7腳是其電源端，芯片工作的開啟電壓為16V，欠壓鎖定電壓為10 V;4腳接振蕩電路，產(chǎn)生所需頻率的鋸齒波，RT接在4、8腳之間，CT接在4腳和地之間。1和2腳為補(bǔ)償端和內(nèi)部電壓比較器的反相輸入端;從3腳引入的電流反饋信號與1腳的電壓誤差信號比較，產(chǎn)生一個(gè)PWM(脈寬調(diào)制)波，從6腳(輸出端)輸出該信號，控制功率器件的通斷。3腳為電流檢測輸入端。由于電流比較器輸入端設(shè)置了1 V的電流鉗位，當(dāng)電流過大而使電流檢測電阻R13(如圖3所示)。上的電壓超過1 V(即3腳電平大于1 V)時(shí)，將關(guān)斷PWM脈沖，從而達(dá)到限流保護(hù)的目的。

　　3 開關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)

　　本文以UC3842為核心控制部件，設(shè)計(jì)了DC48 V輸入、DC12 V輸出的單端反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源控制電路是一個(gè)電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。變換器的幅頻特性由雙極點(diǎn)變成單極點(diǎn)，因此增益帶寬乘積得到了提高，穩(wěn)定幅度大，具有良好的頻率響應(yīng)特性。

　　主要的功能模塊包括：啟動電路、反饋電路、保護(hù)電路、整流電路。以下對各個(gè)模塊的原理和功能進(jìn)行分析。開關(guān)電源電路原理圖見圖3。

　　3.1 啟動電路

　　如圖3，電源通過啟動電阻R，給電容E2充電，當(dāng)E2電壓達(dá)到UC3842的啟動電壓門檻值時(shí)，UC3842開始工作并提供驅(qū)動脈沖，由6端輸出推動開關(guān)管工作。隨著UC3842的啟動，R3的工作也就基本結(jié)束，余下的任務(wù)交給反饋繞組，由反饋繞組產(chǎn)生電壓來為UC3842供電。由于48 V 的輸入電壓，超過了UC3842的工作電壓，為了避免意外，用D3穩(wěn)壓管限定UC3842的輸入電壓。否則，將出現(xiàn)UC3842被損壞的情況。

　　3.2 過流、短路保護(hù)電路

　　如圖3，當(dāng)負(fù)載電流超過額定值時(shí)，場效應(yīng)電流增加，R13上的電壓反饋至CSEN(3腳)，通過內(nèi)部電流檢測比較器輸出復(fù)位信號，最后導(dǎo)致開關(guān)管關(guān)閉。只有在下一個(gè)基準(zhǔn)脈沖到來時(shí)，才可能重新開啟開關(guān)管，而不可能出現(xiàn)開關(guān)管電流在恒流值左右振蕩的情況。

　　當(dāng)出現(xiàn)輸出短路時(shí)，輸出電壓會下降，同時(shí)為UC3842供電的反饋繞組也會出現(xiàn)輸出電壓下降。當(dāng)輸入電壓低于10 V時(shí)，UC3842停止工作，沒有觸發(fā)脈沖輸出，使場效應(yīng)管截止。短路現(xiàn)象消失后，電源重新啟動，自動恢復(fù)正常工作。這就是俗稱的電路“打嗝”現(xiàn)象。

　　3.3 精密反饋電路

　　當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，整流電壓加在變壓器初級繞組上的電能變成磁能儲存在變壓器中，開關(guān)管截止后，能量通過次級繞組釋放到負(fù)載上。由公式：Uo=(Ton/(nToff))E 可以得出，輸出電壓和開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間及輸入電壓成正比;與初，次級繞組的匝數(shù)比及開關(guān)管的截止時(shí)間成反比。

　　反饋電路采用精密穩(wěn)壓器TL431和線性光耦PC817。利用TL431可調(diào)式精密穩(wěn)壓器構(gòu)成誤差電壓放大器，再通過線性光耦對輸出進(jìn)行精確的調(diào)整。

　　如圖3，輸出電壓經(jīng)R11，R12分壓后得到的取樣電壓，與TL431中的2.5 V帶隙基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。當(dāng)輸出電壓出現(xiàn)正誤差，取樣電壓>2.5 V，TL431的穩(wěn)壓值降低，光耦U2控制端電流增大，UC3842的反饋端(VFB)電壓值增大，輸出端的脈沖信號占空比降低，開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間減少，輸出電壓降低;反之，如果輸出電壓出現(xiàn)負(fù)誤差，UC3842的輸出脈沖占空比增大，輸出電壓增高，達(dá)到穩(wěn)壓目的。同時(shí)，整個(gè)電源系統(tǒng)的輸入、輸出被隔離，UC23842受到的干擾減少。

　　在對電壓精度要求高的場合，會把電壓反饋信號從補(bǔ)償端(CMOP)輸入，不用UC3842的內(nèi)部放大器，因此反饋信號的傳輸縮短了一個(gè)放大器的傳輸時(shí)間，使電源的動態(tài)響應(yīng)更快。

　　3.4 整流濾波電路

　　輸出整流濾波電路直接影響到電壓波紋的大小，影響輸出電壓的性能。開關(guān)電源輸出端中對波紋幅值的影響主要有以下幾個(gè)方面：

　　輸入電源的噪聲，是指輸入電源中所包含的交流成分。解決的方案是在電源輸入端加電容E1，以濾除此噪聲干擾。

　　高頻信號噪聲，開關(guān)電源中對直流輸入進(jìn)行高頻的斬波，然后通過高頻的變壓器進(jìn)行傳輸，在這個(gè)過程中，必然會摻人高頻的噪聲干擾。還有功率管器件在開關(guān)的過程中引起的高頻噪聲。對于這類高頻噪聲的解決方案是在輸出端采用π型濾波的方式。濾波電感采用150 uH的電感，可濾除高頻噪聲。

　　采用肖特基二極管D2整流?；谒蛪?，功耗低，大電流的特點(diǎn)，有利于提高電源的效率，其反向恢復(fù)時(shí)間短，有利于減少高頻噪聲。

　　為了減少共模噪聲，在輸出地和輸入地之間接電容 。

　　3.5 導(dǎo)通時(shí)序

　　如圖4所示，在負(fù)載不同的時(shí)候，其時(shí)序電路是不一樣的。在滿載時(shí)絕大多數(shù)始終周期是導(dǎo)通的，也就是導(dǎo)通的頻率高，中等負(fù)載會跳過一部分始終周期，而輕載時(shí)要跳過大部分的始終電路，只有少數(shù)始終周期是導(dǎo)通的，這樣導(dǎo)通周期的頻率是很低的。圖中，Uo是輸出電壓，CLK是UC3842的基準(zhǔn)脈沖，D是UC3842的輸出脈沖，Id是流過開關(guān)管的電流，Ud是變壓器初級繞組下端(開關(guān)管MOSFET漏級)的電壓。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　為了檢驗(yàn)該開關(guān)電源的性能，筆者按上述應(yīng)用電路進(jìn)行了測試，得到開關(guān)電源的輸出波形圖以及不同輸人電壓和不同負(fù)載時(shí)的輸出電壓如圖5所示。

　　表1為輸入電壓在30~48 V波動時(shí)，輸出電壓的波動情況。表2是負(fù)載電流在10~500 mA變化時(shí)，輸出電壓的波動情況。

　　5 結(jié)論

　　UC3842是一種高性能的固定頻率電流型控制器，單端輸出，可直接驅(qū)動晶體管和MOSFET，具有管腳數(shù)量少、外圍電路簡單、安裝與調(diào)試簡便、性能優(yōu)良、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中充分使用了UC3842的控制功能，實(shí)現(xiàn)了對輸出電壓的負(fù)反饋調(diào)節(jié)以及各種保護(hù)機(jī)制。這種開關(guān)電源結(jié)構(gòu)簡單，性能