基于UC1845的多路輸出雙管反激開關電源方案

引言

隨著器件、工藝水平的飛速發(fā)展，開關型功率變換器已發(fā)展成高效、輕型的直流電源，空間飛行器（星、箭、船等）DC/DC變換器（又稱二次電源）也采用該項技術。

主要原因是衛(wèi)星電子設備對電源的效率、重量、體積和可靠性的要求越來越高，而傳統(tǒng)的線性電源方案幾乎無法滿足飛行器系統(tǒng)的需要。在各種類型的DC/DC變換器中，PWM型DC/DC變換器因結構種類多，技術領先，便于實現，已經得到廣泛應用。

在航天應用領域開關電源的多種拓撲中，可用于100V高壓母線輸入多路輸出的開關電源，大多數采用的是兩級式變換器，如Buck+推挽兩級式變換器，先通過Buck電路將母線電壓降壓，這樣母線電壓要經過二次調整，使電壓調整率降低；再從器件數量上來說，兩級拓撲，功率開關管至少需要3個，電源體積大且功率密度低，從整體分析不是很理想；而對于可以承受高壓輸入的雙管正激開關電源來說，電路結構相對簡單，但其不適合用于多路輸出的場合，輸出交叉調整率較低，穩(wěn)定度差；適合用于中小功率多路輸出DC-DC變換器的電路拓撲還有是單管反激電路，其電路結構簡單，成本低，但在高輸入電壓場合中單管反激電路主開關管的電壓應力非常高，選用200V耐壓的MOSFET管根本無法滿足Ⅰ級降額的要求，如果選用更高耐壓的MOSFET管，由于其導通電阻更高，勢必影響電源的轉換效率，同時還可能帶來真空環(huán)境下的低氣壓放電問題。

因此為了克服以上所提到的問題，本文設計了一種星上用基于UC1845的多路輸出雙管反激開關電源，很適合應用于高壓100V母線輸入、多路輸出場合。對于雙管反激開關電源，首先，其電路拓撲簡單，輸入輸出電氣隔離升/降壓范圍廣，具有輸出多路負載自動均衡等優(yōu)點；其次，由于航天電源對可靠性的要求，所有器件必須滿足一級降額標準，在雙管反激變換電路中，當功率管關斷時，變壓器漏感電流可通過續(xù)流二極管反饋給電源同時將開關管兩端的電壓箝位在電源電壓，因此功率管所承受的電壓應力和輸入電壓相等，使選管的范圍擴大，可靠性提高；再次，雙管反激開關電源電路漏感能量可以回饋到輸入側，無須增加任何吸收電路，因而轉換效率也比單管反激電路高。因此將其運用于航天器高壓輸入多路輸出場合，優(yōu)勢很大，具有實際的工程應用價值。

1、系統(tǒng)設計圖

系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。


圖1 系統(tǒng)設計框圖

2、雙管反激拓撲結構

雙管反激拓撲結構如圖2所示。


圖2 雙管反激變換器的主拓撲

如圖2所示，VT1和VT2分別串接于變壓器的頂端和底端。兩個開關管同時導通和關斷，當它們導通時，所有初級和次級的同名端為正，此時次級VD3反偏，次級無電流流通，初級繞組儲存能量；當它們關斷時，存儲于勵磁電感上的電流使所有繞組電壓極性反向，VD3正偏，勵磁電感中儲存的能量被傳輸到負載，而此時LP同名端電位被二極管VD2鉗位至地，LP異名端電位被二極管VD1鉗位至電源電壓U1.所以，VT1的源極電壓不會超過U1，VT2的漏極電壓也不會超過U1.漏感尖峰被鉗位，使任一開關管的最大電壓應力都不會超過最大直流輸入電壓。

雙管反激變換器還有一個顯著的優(yōu)點是沒有漏感能量消耗。開關管導通時，存儲于漏感中的所有能量不是消耗于電阻元件或功率開關管內，而是在開關管關斷時通過VT1和VT2回饋給U1.漏感電流從LP的異名端流出，經VD1流入U1的正極，然后從其負極流出，經VD2返回LP的同名端，使漏感能量能回饋到輸入側，提高了整機的轉換效率。

在航天電源中，對于高壓100V母線輸入電源，雙管反激開關電源便顯示出極大的優(yōu)勢。

3、UC1845控制電路

UC1845是由TexasInstruments公司生產的電流控制型PWM控制器，該芯片電路開關頻率可調節(jié)，具有電流反饋和電壓反饋雙環(huán)控制的特點，電壓調整率和負載調整率高。其內部功能模塊框圖如圖3所示。圖3中，UC1845主要包括：

5.0V基準電壓源，高增益的誤差放大器，電流比較器，RS觸發(fā)器和欠壓鎖定電源電路。具有8腳封裝的UC1845芯片各引腳功能如下：腳l為誤差放大器輸出，用于環(huán)路補償；腳2是誤差放大器的反相輸入，通常通過一個電阻分壓器連至開關電源輸出，起電壓反饋作用，調整輸出的占空比，從而穩(wěn)定輸出電壓；腳3為電流取樣引腳，脈寬調制器使用此信息終止輸出開關的導通，保護開關管，避免過流損壞；腳4用于定時，通過時間電阻RT，連接至參考輸出引腳8以及時間電容CT連接至地，使振蕩器頻率和最大輸出占空比可調，振蕩頻率為f=1.72（RTCT）；腳5是控制電路和電源的公共地；腳6是輸出驅動開關管的方波引腳。為圖騰柱式輸出，可直接驅動功率管MOSFET的柵極；腳7是控制集成電路的正電源（VCC）啟動電壓為8.4V，最大輸出電流可以達到1A，適合驅動MOSFET以及適用于中小功率的DC/DC開關電源；腳8是內部基準電壓源產生5.0V基準電壓，作為UC1845內部電源，經衰減得2.5V電壓作為比較放大器基準，并可作為向外電路輸出5V/50mA的電源。UC1845還包括過壓、欠壓保護電路，當供電電源電壓低于7.6V時，芯片停止工作。

UC1845具有很高的工作溫度范圍，可以在-65~150℃的范圍內穩(wěn)定的工作，可滿足航天應用。

4、主體電路設計

主體電路以雙管反激電路為總的系統(tǒng)框架，用UC1845芯片和相應的外圍電路構成PWM控制器，反饋電路采用了磁隔離反饋，通過一個反饋控制量實現多路輸出，在輸出端配合應用低壓差三端穩(wěn)壓器，可以提高各路輸出負載穩(wěn)定度。

4.1反饋控制電路設計

在常用的隔離反饋技術中，航天方面選用磁反饋較光耦反饋要更為可靠和穩(wěn)定。相對于磁反饋而言，光耦反饋雖然更能達到所需的帶寬，且電路簡單、元件少，但在高溫下光耦的傳輸比（CTR）會變小，會導致運放飽和，使輸出電壓的反饋控制失效。磁反饋比光耦反饋壽命長，受溫度影響小。抗輻照能力強，故在航天方面選用磁反饋較光耦反饋要更為可靠和穩(wěn)定。


圖3 UC1845內部結構框圖