0 引言
隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，功率器件的不斷更新，PWM技術(shù)的發(fā)展日趨完善，使開關(guān)電源在通訊、航空、航天、工業(yè)自動(dòng)化及儀表儀器等領(lǐng)域得到了廣泛的發(fā)展。其中，以電流型PWM(脈寬調(diào)制)控制器為核心的高頻開關(guān)電源由于具有體積小、重量輕、效率高、線路簡(jiǎn)潔、可靠性高以及具有較強(qiáng)的自動(dòng)均衡各路輸出負(fù)載的能力等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于中小功率的場(chǎng)合，越來越受到市場(chǎng)的青睞。
本文設(shè)計(jì)了一種以單端反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和峰值電流PWM技術(shù)設(shè)計(jì)的新式開關(guān)電源，它可以更加有效地減小紋波和提高電源效率，保證了穩(wěn)定電壓的輸出。
1 反激式高頻穩(wěn)壓開關(guān)電源的設(shè)計(jì)
電源電路主要由單端反激式變換電路和PWM控制電路兩部分組成。設(shè)計(jì)的目的是將交流電壓經(jīng)過整流濾波后的直流電壓轉(zhuǎn)換成兩路24V和3．3V的輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的供電。整體思路是：電流型PWM控制器UC2844通過對(duì)電流電壓的檢測(cè)，改變輸出電流信號(hào)，調(diào)整變換器中的開關(guān)管導(dǎo)通與截止，從而改變變換器中的峰值電流，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的，保證24V和3．3V的穩(wěn)定輸出。在整個(gè)設(shè)計(jì)中，以UC2844為核心的反饋控制電路是關(guān)鍵，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可以精準(zhǔn)、快速地調(diào)節(jié)輸出電壓。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
2 電流型PWM控制器UC2844
電流型PWM控制器系統(tǒng)框圖如圖2所示。
該系統(tǒng)采用了電流電壓雙閉環(huán)串級(jí)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部是電流環(huán)，外部是電壓環(huán)。控制原理是：給定的電壓Vi與從輸出反饋回的電壓Vr進(jìn)行比較，得到的電壓誤差經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器輸出作為另一個(gè)給定的電壓信號(hào)Ve，該信號(hào)與經(jīng)電阻采樣反映電流變化的信號(hào)Vs進(jìn)行比較，輸出一個(gè)可調(diào)節(jié)占空比的PWM脈沖信號(hào)，從而使得輸出的電壓信號(hào)Vo保持恒定。電流型PWM控制器的優(yōu)點(diǎn)是：電壓調(diào)整率好、負(fù)載調(diào)整率好、系統(tǒng)穩(wěn)定性好。
UC2844是Unitrode公司生產(chǎn)的一種高性能固定頻率電流型PWM控制器，主要包括誤差放大器、PWM比較器、PWM鎖存器、振蕩器、內(nèi)部基準(zhǔn)電壓和欠壓鎖定單元等幾部分。UC2844是單端輸出，可直接驅(qū)動(dòng)晶體管和MOSFET，具有管腳數(shù)量少、外圍電路簡(jiǎn)單、安裝和調(diào)試簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。
3 反激式開關(guān)電源的控制原理
電源電路采用了電流PWM控制模式，就使反激式電路形成了穩(wěn)定性很好的雙環(huán)路反饋(輸出直流電壓隔離取樣反饋外回路和初級(jí)線圈充磁峰值電流取樣反饋內(nèi)回路)控制系統(tǒng)，就可以通過開關(guān)電源的PWM調(diào)制器迅速調(diào)整脈沖占空比，從而在每一個(gè)周期內(nèi)對(duì)前一個(gè)周期的輸出電壓和初級(jí)線圈充磁峰值電流進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。這種反饋控制電路的最大特點(diǎn)是：在輸入電壓和負(fù)載電流變化較大時(shí)，具有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，自動(dòng)限制負(fù)載電流，補(bǔ)償電路簡(jiǎn)單。反激電路適應(yīng)于小功率開關(guān)電源。
單端反激式開關(guān)電源是以開關(guān)管的周期性導(dǎo)通與截止為主要特征。開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，在變壓器的原邊線圈一側(cè)儲(chǔ)存電能，與副邊線圈相連的超快恢復(fù)二極管處于反偏壓狀態(tài)，所以二極管截止，在變壓器次級(jí)線圈中無電流流過，即沒有能量傳遞給負(fù)載。開關(guān)管截止時(shí)，變壓器副邊電感線圈中的電壓極性反轉(zhuǎn)，使二極管導(dǎo)通，給輸出電容充電，同時(shí)負(fù)載也有電流流過。
要求開關(guān)管K1413至少能承受1000V的高壓，同時(shí)還必須在漏極增加嵌位電路，吸收尖峰電壓，保護(hù)開關(guān)管。嵌位電路由瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS和超快恢復(fù)二極管組成。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，原邊電壓上端為正，下端為負(fù)，使得超快恢復(fù)二極管截止，嵌位電路不起作用。在開關(guān)管截止瞬間，原邊電壓變?yōu)橄露藶檎隙藶樨?fù)，此時(shí)TVS導(dǎo)通，電壓被限制在200V左右。原理圖如圖3所示。
4 電源電路性能分析
PWM控制器UC2844及外圍電路構(gòu)成了雙環(huán)反饋控制系統(tǒng)。UC2844的工作過程為：直流電壓經(jīng)限流電阻R15抬升電位至16V后啟動(dòng)UC2844工作；將流過原邊線圈電流的反饋信號(hào)與UC2844內(nèi)部的誤差放大器輸出的信號(hào)進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感電流隨誤差電壓的變化而變化，保持了輸出電壓的恒定。根據(jù)實(shí)際給定的定時(shí)元件參數(shù)值計(jì)算得出UC2844的工作頻率*****，其中R12是定時(shí)電阻，C8是定時(shí)電容。如圖4所示。
反激式高頻變壓器開關(guān)電源的電路圖見圖3。開關(guān)管門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)與原副邊電壓波形如圖5及圖6所示，圖7為高頻開關(guān)變壓器原邊電壓波形，由圖可以看到開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間占空比非常小，反激式高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源能夠正常工作。(圖5、圖6直流電壓用24V模擬)。
5 結(jié)束語
利用UC2844設(shè)計(jì)制作的開關(guān)穩(wěn)壓電源具有良好的性能指標(biāo)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、頻率響應(yīng)特性好、穩(wěn)定幅度大、沖擊小。負(fù)載調(diào)整率改善明顯，電壓調(diào)節(jié)范圍寬，紋波電壓小，系統(tǒng)穩(wěn)定，能很好地滿足微機(jī)的工作要求。