【文章內(nèi)容簡介】 電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(zhuǎn)，鎖存器復位，驅(qū)動撤除，功率管關斷，電路逐個的檢測和調(diào)節(jié)電流脈沖，控制電源輸出。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(zhuǎn)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(jīng)電感，將使濾波電容上的電壓信號對電流信號產(chǎn)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(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(zhuǎn)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(jù)UC3842的功能特點，結(jié)合Boost電路拓撲結(jié)構(gòu)，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(xiàn)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。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(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現(xiàn)別的技術指標就不可能達到，這是實現(xiàn)全部技術指標的基礎。因此，根據(jù)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)和工作原理，接下來將進行具體的電路原理圖設計。4 硬件設計本系統(tǒng)主要以Boost為主拓撲電路、驅(qū)動以UC3842為脈寬調(diào)制芯片為主，它們共同構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(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拓撲電路。Boost拓撲結(jié)構(gòu)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時，開關管S為導通狀態(tài)，二極管D處于截止狀態(tài)，流經(jīng)電感L和開關管的電流逐漸增大，電感L兩端的電壓為，考慮到開關管S漏極對公共端的導通壓降，即為。時通過L的電流增加部分滿足式(1)。 （1）式中：為開關管導通時的壓降和電流取樣電阻上的壓降之和。 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(jīng)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，時，電感L兩端的電壓為+，電流的減少部分滿足(2)。 （2） 式中：為整流二極管正向壓降。在電路穩(wěn)定狀態(tài)下，從電流連續(xù)后到最大輸出，=，由式(1)和(2)可得 （3）因占空比D=/T,即最大占空比 （4） 如果忽略電感損耗，電感輸入功率等于輸出功率，即 （5） 由式（4）和式（5）可得電感平均電流 （6）同時由式(1)得電感器電流紋波，式中：f為開關頻率。 （7）為保證電流連續(xù)，電感電流應滿足 （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 （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。 （10）開關管耐壓 （11）二極管反向耐壓 = （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(jù)UC3842的功能特點，結(jié)合Boost電路拓撲結(jié)構(gòu)，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(xiàn)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(qū)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(diào)的振蕩器、能進行精確的占空比控制、溫度補償?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)動外部功率開關管，所以是驅(qū)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。87654321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(diào)制器使用此信息中止輸出開關的導通4通過將電阻連接至以及電容連接至地，使振蕩器頻率和最大輸出占空比可調(diào)，工作頻率可達500KHZ5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)動功率MOSFET的柵極，高達1A的峰值電流經(jīng)此管腳拉和灌7該管腳是集成電路的正電源8該管腳為參考輸出，它通過電阻向電容提供充電電流UC3842是專為低壓應用設計的，（通）(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）自動前饋補償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(diào)試過程中也要非常注意。 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(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(diào)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(xiàn)上有一定的難度。 （4）簡化了限流電路，在保證電源工作可靠性的同時，電流限制使電感和開關管更有效地工作；UC3842芯片的振蕩頻率估算公式為： （13）上式中，取10k，理論計算出來的頻率值為116KHz，但由于電容值不準確，實際值92KHz。還可以通過增加外補償網(wǎng)絡和斜坡補償大大加強系統(tǒng)穩(wěn)定性。5 系統(tǒng)的制作與調(diào)試 系統(tǒng)電路的布局和布線[12]當我們設計好系統(tǒng)