【文章內容簡介】 壓型控制器的輸出電壓反饋控制部分，又增 加了一個反饋環(huán)節(jié)， 它的電路工作原理是：與經誤差放大器比較放大后得到 ，由恒頻時鐘脈沖置位鎖存器輸出脈沖驅動管導通，電杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 9 源電路中因輸出電感的作用使脈沖電流逐漸增大，當電流在采樣電阻 RS 上的電流信號電壓 VS幅 度達到電平時，脈寬比較器的狀態(tài)反轉，鎖存器復位，驅動撤除，功率管關斷，電路逐個的檢測和調節(jié)電流脈沖，控制電源輸出。 E r r o rA M P U r e f U o u t U eP W MC O M PSR QL A T C HC L O C KR sU sU i nU o u t圖 34 電流控制電路圖 電壓控制模式電路控制過程中電感電流未參與控制，是獨立變量，開關轉換器為二階系統(tǒng)，有兩個狀態(tài)變量，即輸出濾波電容的電壓和輸出濾波電感的電流。二階系統(tǒng)是一個有條件的穩(wěn)定系統(tǒng)，只有對控制電路進行精心設計和計算，滿足一定條件，方能使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定工作。開關電源的電流均流經電感，將使濾波電容上的電壓信號對電流信號產生 90 度 延遲。因此，僅用電壓采樣的方法反應速度慢，穩(wěn)定性差，甚至在大信號變動時產生振蕩，從而損壞功率器件，以致在推挽和全橋等電路中引起變壓器偏磁化飽和而產生電流尖峰，最終導致線路工作失常。 電流型控制器正是針對電壓型控制器的缺點發(fā)展起來的，它增加了電流反饋環(huán)，電感電流不再是一個獨立變量，從而使開關轉換器成為一個一階無條件的穩(wěn)定系統(tǒng)，它只有單個極點和 90 度相位滯后，因而很容易不受約束的得到大的開環(huán)增益和完善的小信號、大信號特性。 本系統(tǒng)即采 用電流控制型的 UC3842 作為主回路的控制 芯片。根據 UC3842 的功能特點， 結合 Boost 電路拓撲結構，完全可設計成電流控制型的升壓 DCDC 電路。該電路外接元器件少，控制靈活，成本低，具有其他專用芯片難以實現的功能。另外，給定電壓的穩(wěn)定主要由硬件電路完成，實時性好，可靠性高，不需要用到高速單片機 [9]。如圖 35 為 UC3842 控制芯片及周圍電路。 杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 10 COMP1VFB2SEN3RT/CT4GND5OUT6VCC7Vref8U5UC384210kRtCtGND20kRfIrefRr104CrUinUref22Ro20kRo1PWM(out)104Cf1 圖 35 UC3842控制芯片及周圍電路 系統(tǒng)性能指標 本系統(tǒng)設計中，首先要完成的就是實現直流輸入電壓在 15V20V 范圍內能夠輸出直流電壓在 3236V 之間可調。如果這一功能不能實現別的技術指標就不可能達到，這是實現全部 技術指標的基礎。因此，根據以上要求設計本系統(tǒng)的性能指標如下： （ 1）直流輸入電壓從 15V 到 20V，直流輸出電壓在 32～ 55V之間； （ 2）最大輸出電流 Io=1A； （ 3） DC/DC 轉換效率大于 70%； 總之，通過上面的介紹，可以大體上了解整個系統(tǒng)的結構和工作原理，接下來將進行具體的電路原理圖設計。 杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 11 4 硬件設計 本系統(tǒng)主要以 Boost 為主拓撲電路、驅動以 UC3842 為脈寬調制芯片為主，它們共同構建起了整個 DC/DC 變換系統(tǒng)。 Boost主拓撲電路設計 本系統(tǒng)利用最為簡單可靠的 Boost 斬波結構，開關的開通和關斷受外部 PWM信號控制，電感 L將交替地存儲和釋放能量，而電容 C可將輸出電壓保持平穩(wěn)，通過改變 PWM控制信號的占空比可以相應實現輸出電壓的變化。 Boost 升壓電路可以工作在電流斷續(xù)工作模式 (DCM)和電流連續(xù)工作模式 (CCM) [10]。圖 32所示的是本系統(tǒng)的 Boost 拓撲電路。 Boost 拓撲結構升壓電路基本波形如圖 41所示。 開關管 S漏極電壓波形 Ton Toff △ ILon 開關管 S電流波形 ILp 電感 L電流波形 IL(ave) △ IL △ ILoff 整流二極管 D電流波形 Id(ave) 輸出電容 C2電流波形 Ic2(ave) △ Ic2 圖 41 onT 時，開關管 S為導通狀態(tài)，二極管 D 處于截止狀態(tài)，流經電感 L 和開關管的電流逐漸增大，電感 L 兩端的電壓為 iV ，考 慮到開關管 S 漏極對公共端的導通壓降 sV ，即為 si VV? 。 onT 時通過 L的電流增加部分 onIL? 滿足式 (1)。 杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 12 L TVVIL onsion )( ??? （ 1） 式中： sV 為開關管導通時的壓降和電流取樣電 阻 sR 上的壓降之和，約。 ofT 時，開關管 S 截止，二極管 D 處于導通狀態(tài)，儲存在電感 L 中的能量提供給輸出，流經電感 L和二極管 D的電流處于減少狀態(tài)，設二極管 D的正向電壓為 fV ，ofT 時，電感 L 兩端的電壓為 oV + fV iV ，電流的減少部分 offIL? 滿足 (2)。 L TVIL o ffio ff ) +VV ( fo ??? （ 2） 式中： fV 為整流二極管正向壓降，快恢復二極管 ，肖特基二極管 。在電路穩(wěn)定狀態(tài)下，從電流連續(xù)后到最大輸出， onIL? = offIL? ，由式 (1)和 (2)可得 ifsionoff VVVVTT ????oV （ 3） 因占空比 D= onT /T,即最大占空比 maxD oofofom a x VV+VV +VV isi VVVD ????? （ 4） 如果忽略電感損耗，電感輸入功率等于輸出功率， 即 oavei IIlV ??? oV （ 5） 由式（ 4）和式（ 5）可得電感平均電流 DIIl oave ?? 1 （ 6） 同時由式 (1)得電感器電流紋波 ， 式中： f為開關頻率。 fL DVVIl si ???? )( （ 7） 為保證電流連續(xù)，電感電流應滿足 2/IlIl ave ?? （ 8） 考慮到式 (6)、式 (7)和式 (8)，可得到滿足電流連續(xù)情況下的電感值為 fI DDVVL osi ? ??? )1()(2 （ 9） 另外，由 Boost 升壓電路可知，開關管電流峰值 Is(max)=二極管電流峰值Id(max)=電感器電流峰值 Ilp。 )2/( IlIlIlp ave ??? （ 10） 開關管耐壓 foff VVds ?? oV （ 11） 二極管反向耐壓 rV = oV aV （ 12） 控制芯片及外圍電路 采用 UC3842 作為主回路的控制芯片。 UC3842 價格低廉，廣泛應用于電子信息設備的電源電路設計中。根據 UC3842 的功能特點，結合 Boost 電路拓撲結構，杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 13 完全可設計成電流控制型的升壓 DCDC 電路。該電路外接元器件少，控制靈活，成本低，具有其他專用芯片難以實現的功能。另外，給定電壓的穩(wěn)定主要由硬件電路完成，實時性好，可靠性高，不需要用到高速單片機，也隨即降低了軟件編寫的難度。本系統(tǒng)控制驅動具體電路如圖 35所示。 UC3842 是高性能固定頻率電流模式控制器專為離線和直流至直流變換器應用而設計，為設計人員提供只需最少外部元件就能獲得成本效益高的解決方案。這些集成電路具有可微調的振蕩器、能進行精確的占空比控制、溫度補償的參考、高增益誤差放大器。電流取樣比較器和大電流圖騰式輸出，可以直接驅動外部功率開關管，所以是驅動功率 MOSFET 的理想器件。其他的保護特性包括輸入和參考欠壓鎖定，各有滯后、逐周電路限制、可編程輸出靜區(qū)時間和單個脈沖測量鎖存。有 16V（通）和 10V（斷）低壓鎖定門限，十分適合于離線變換器，這里采 用 DC輸入直接給芯片供電 [11]。 UC3842 管腳如圖 42所示，其功能說明如表 41。 圖 42 UC3842管腳圖 表 41 UC3842管腳功能介紹 管腳 功能 說 明 1 補償 該管腳為誤差放大器輸出，并可用于環(huán)路補償 2 電壓反饋 該管腳是誤差放大器的反向輸入，通常一個電阻分壓器連至開關電源輸出 3 電流取樣 一個正比于電感器電流的電壓接至此輸入，脈寬調制器使用此信息中止輸出開關的導通 4 tC/Rt 通過將 電阻 tR 連接至 refV 以及電容 tC 連接至地，使振蕩器頻率和最大輸出占空比可調，工作頻率可達 500KHZ 5 地 該管腳是控制電路和電源的公共地 6 輸出 該輸出直接驅動功率 MOSFET的柵極，高達 1A的峰值電流經此管腳拉和灌 7 ccV 該管腳是集成電路的正電源 8 refV 該管腳為參考輸出，它通過電 阻 tR 向電容 tC 提供充電電流 1 2 3 4 5 6 7 8 杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 14 UC3842 是專為低壓應用設計的，低壓鎖定門限為 （通）和 (斷 )，其主要特性有： 1）微調的振蕩器放電電流，可精確控制占空比 2）電流模式工作到 500千赫 3）自動前饋補償 4）鎖存脈寬調制，可逐周限流 5）內部微調的參考電壓，帶欠壓鎖定 6）大電流圖騰柱輸出 7）欠壓鎖定，帶滯后 8）低啟動和工作電流 如圖 43所示為 UC3842 內部結構及工作原理圖。其中內部誤差放大器與電 流檢測比較器的輸入設計將直接影響系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，因此在設計好之后調試過程中也要非常注意。 V r e f欠 壓 鎖 定5 . 0 V參 考 電 壓V c c欠 壓 鎖 定鎖 存脈 寬調 制 器振 蕩 器+V r e f8 ( 1 4 )R T C T4 ( 7 )電 壓反 饋輸 入2 ( 3 )輸 出 補 償1 （ 1 ）誤 差放 大 器地 5 （ 9 ）V c c 7 ( 1 2 )V c7 ( 1 1 )輸 出6 （ 1 0 ）電 源 地5 （ 8 ）電 流 檢 測輸 入3 （ 5 ） 圖 43 UC3842內部結構及工作原理圖 這種電流型控制電路的主要特點是： （ 1）輸入電壓的變化引起電感電流斜坡的變化，電感電流自動調整而不需要誤差放大器輸出變化，改善了瞬態(tài)電壓調整率； （ 2）電流型控制檢測電感電流和開關電流，并在逐個脈沖的基礎上同誤差放大器的輸出比較，控制 PWM 脈寬，由于電感電流隨誤差信號的變化而變化，從而更容易設置控制環(huán)路，改 善了線性調整率； （ 3）電流型控制電路中需要對電感電流的斜坡進行補償，因為，平均電感電杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 15 流大小是決定輸出大小的因素，在占空比不同的情況下，峰值電感電流的變化不能與平均電感電流變化相對應，特別是占空比， 50％的不穩(wěn)定性，存在難以校正的峰值電流與平均電流的誤差，即使占空比小于 50％，也可能發(fā)生高頻次諧波振蕩，因而需要斜坡補償，使峰值電感電流與平均電感電流變化相一致，但是，同步不失真的斜坡補償技術實現上有一定的難度。 （ 4）簡化了限流電路，在保證電