【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 壓型控制器的輸出電壓反饋控制部分，又增 加了一個(gè)反饋環(huán)節(jié)， 它的電路工作原理是：與經(jīng)誤差放大器比較放大后得到 ，由恒頻時(shí)鐘脈沖置位鎖存器輸出脈沖驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通，電杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 源電路中因輸出電感的作用使脈沖電流逐漸增大，當(dāng)電流在采樣電阻 RS 上的電流信號(hào)電壓 VS幅 度達(dá)到電平時(shí)，脈寬比較器的狀態(tài)反轉(zhuǎn)，鎖存器復(fù)位，驅(qū)動(dòng)撤除，功率管關(guān)斷，電路逐個(gè)的檢測(cè)和調(diào)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(guò)程中電感電流未參與控制，是獨(dú)立變量，開關(guān)轉(zhuǎn)換器為二階系統(tǒng)，有兩個(gè)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(gè)有條件的穩(wěn)定系統(tǒng)，只有對(duì)控制電路進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和計(jì)算，滿足一定條件，方能使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定工作。開關(guān)電源的電流均流經(jīng)電感，將使濾波電容上的電壓信號(hào)對(duì)電流信號(hào)產(chǎn)生 90 度 延遲。因此，僅用電壓采樣的方法反應(yīng)速度慢，穩(wěn)定性差，甚至在大信號(hào)變動(dòng)時(shí)產(chǎn)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(chǎn)生電流尖峰，最終導(dǎo)致線路工作失常。 電流型控制器正是針對(duì)電壓型控制器的缺點(diǎn)發(fā)展起來(lái)的，它增加了電流反饋環(huán)，電感電流不再是一個(gè)獨(dú)立變量，從而使開關(guān)轉(zhuǎn)換器成為一個(gè)一階無(wú)條件的穩(wěn)定系統(tǒng)，它只有單個(gè)極點(diǎn)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(hào)、大信號(hào)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(jù) UC3842 的功能特點(diǎn)， 結(jié)合 Boost 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，完全可設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)的功能。另外，給定電壓的穩(wěn)定主要由硬件電路完成，實(shí)時(shí)性好，可靠性高，不需要用到高速單片機(jī) [9]。如圖 35 為 UC3842 控制芯片及周圍電路。 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 COMP1VFB2SEN3RT/CT4GND5OUT6VCC7Vref8U5UC384210kRtCtGND20kRfIrefRr104CrUinUref22Ro20kRo1PWM(out)104Cf1 圖 35 UC3842控制芯片及周圍電路 系統(tǒng)性能指標(biāo) 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先要完成的就是實(shí)現(xiàn)直流輸入電壓在 15V20V 范圍內(nèi)能夠輸出直流電壓在 3236V 之間可調(diào)。如果這一功能不能實(shí)現(xiàn)別的技術(shù)指標(biāo)就不可能達(dá)到，這是實(shí)現(xiàn)全部 技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)。因此，根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的性能指標(biāo)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(zhuǎn)換效率大于 70%； 總之，通過(guò)上面的介紹，可以大體上了解整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，接下來(lái)將進(jìn)行具體的電路原理圖設(shè)計(jì)。 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 4 硬件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)主要以 Boost 為主拓?fù)潆娐?、?qū)動(dòng)以 UC3842 為脈寬調(diào)制芯片為主，它們共同構(gòu)建起了整個(gè) DC/DC 變換系統(tǒng)。 Boost主拓?fù)潆娐吩O(shè)計(jì) 本系統(tǒng)利用最為簡(jiǎn)單可靠的 Boost 斬波結(jié)構(gòu)，開關(guān)的開通和關(guān)斷受外部 PWM信號(hào)控制，電感 L將交替地存儲(chǔ)和釋放能量，而電容 C可將輸出電壓保持平穩(wěn)，通過(guò)改變 PWM控制信號(hào)的占空比可以相應(yīng)實(shí)現(xiàn)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?fù)潆娐贰? Boost 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)升壓電路基本波形如圖 41所示。 開關(guān)管 S漏極電壓波形 Ton Toff △ ILon 開關(guān)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(shí)，開關(guān)管 S為導(dǎo)通狀態(tài)，二極管 D 處于截止?fàn)顟B(tài)，流經(jīng)電感 L 和開關(guān)管的電流逐漸增大，電感 L 兩端的電壓為 iV ，考 慮到開關(guān)管 S 漏極對(duì)公共端的導(dǎo)通壓降 sV ，即為 si VV? 。 onT 時(shí)通過(guò) L的電流增加部分 onIL? 滿足式 (1)。 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 L TVVIL onsion )( ??? （ 1） 式中： sV 為開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的壓降和電流取樣電 阻 sR 上的壓降之和，約。 ofT 時(shí)，開關(guān)管 S 截止，二極管 D 處于導(dǎo)通狀態(tài)，儲(chǔ)存在電感 L 中的能量提供給輸出，流經(jīng)電感 L和二極管 D的電流處于減少狀態(tài)，設(shè)二極管 D的正向電壓為 fV ，ofT 時(shí)，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(fù)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(shí)由式 (1)得電感器電流紋波 ， 式中： f為開關(guān)頻率。 fL DVVIl si ???? )( （ 7） 為保證電流連續(xù)，電感電流應(yīng)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(guān)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(guān)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(jià)格低廉，廣泛應(yīng)用于電子信息設(shè)備的電源電路設(shè)計(jì)中。根據(jù) UC3842 的功能特點(diǎn)，結(jié)合 Boost 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 完全可設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)的功能。另外，給定電壓的穩(wěn)定主要由硬件電路完成，實(shí)時(shí)性好，可靠性高，不需要用到高速單片機(jī)，也隨即降低了軟件編寫的難度。本系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)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(yīng)用而設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)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(diào)的振蕩器、能進(jìn)行精確的占空比控制、溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖?、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(qū)動(dòng)外部功率開關(guān)管，所以是驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 的理想器件。其他的保護(hù)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(shí)間和單個(gè)脈沖測(cè)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(shuō)明如表 41。 圖 42 UC3842管腳圖 表 41 UC3842管腳功能介紹 管腳 功能 說(shuō) 明 1 補(bǔ)償 該管腳為誤差放大器輸出，并可用于環(huán)路補(bǔ)償 2 電壓反饋 該管腳是誤差放大器的反向輸入，通常一個(gè)電阻分壓器連至開關(guān)電源輸出 3 電流取樣 一個(gè)正比于電感器電流的電壓接至此輸入，脈寬調(diào)制器使用此信息中止輸出開關(guān)的導(dǎo)通 4 tC/Rt 通過(guò)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(diào)，工作頻率可達(dá) 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(qū)動(dòng)功率 MOSFET的柵極，高達(dá) 1A的峰值電流經(jīng)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(guò)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(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 UC3842 是專為低壓應(yīng)用設(shè)計(jì)的，低壓鎖定門限為 （通）和 (斷 )，其主要特性有： 1）微調(diào)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(dòng)前饋補(bǔ)償 4）鎖存脈寬調(diào)制，可逐周限流 5）內(nèi)部微調(diào)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(dòng)和工作電流 如圖 43所示為 UC3842 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理圖。其中內(nèi)部誤差放大器與電 流檢測(cè)比較器的輸入設(shè)計(jì)將直接影響系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，因此在設(shè)計(jì)好之后調(diào)試過(guò)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(diào) 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(bǔ) 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(cè)輸 入3 （ 5 ） 圖 43 UC3842內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理圖 這種電流型控制電路的主要特點(diǎn)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(dòng)調(diào)整而不需要誤差放大器輸出變化，改善了瞬態(tài)電壓調(diào)整率； （ 2）電流型控制檢測(cè)電感電流和開關(guān)電流，并在逐個(gè)脈沖的基礎(chǔ)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(hào)的變化而變化，從而更容易設(shè)置控制環(huán)路，改 善了線性調(diào)整率； （ 3）電流型控制電路中需要對(duì)電感電流的斜坡進(jìn)行補(bǔ)償，因?yàn)?，平均電感電杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(duì)應(yīng)，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(bǔ)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(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)上有一定的難度。 （ 4）簡(jiǎn)化了限流電路，在保證電