基于UC3842的反激式DC/DC隔離穩(wěn)壓電源研制

孫駟洲 程傳節(jié) 胡耀聰

（安徽工程大學，安徽蕪湖241000）

基于UC3842的反激式DC/DC隔離穩(wěn)壓電源研制

孫駟洲 程傳節(jié) 胡耀聰

（安徽工程大學，安徽蕪湖241000）

文章針對以柴油發(fā)動機為動力的工程車控制系統(tǒng)對直流5V電源需求，利用電流型PWM控制器UC3842設計一款24VDC轉(zhuǎn)5VDC的直流穩(wěn)壓隔離電源。分析了主電路工作原理，設計元件參數(shù)及控制電路，并通過實驗結(jié)果得到驗證。

UC3842；反激式；高頻變壓器

1.引言

工程車一般是以柴油為燃料的發(fā)動機帶動發(fā)電機給車載蓄電池充電，蓄電池向控制系統(tǒng)供電。蓄電池輸出電壓為24VDC，而控制系統(tǒng)的芯片電壓為5VDC，發(fā)電機輸出電壓的波動對其有一定影響，所以蓄電池和控制系統(tǒng)之間必須加隔離轉(zhuǎn)換電源裝置。工程車的電控制系統(tǒng)供電電源的優(yōu)劣直接關系到系統(tǒng)穩(wěn)定與否，設計優(yōu)良的隔離穩(wěn)壓電源對整個工程車至關重要。本文利用電流型脈寬調(diào)制芯片UC3842研制了24VDC/5VDC反激式隔離穩(wěn)壓電源，使蓄電池電壓波動不影響控制系統(tǒng)。

2.隔離穩(wěn)壓電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作過程

2.1 隔離穩(wěn)壓電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電源原理圖如圖1所示，主電路包括：+24VDC輸入、EMI濾波、電容濾波、高頻開關管斬波、高頻電壓輸出、輸出濾波等；控制電路包括功率開關管的占空比調(diào)節(jié)、開關管驅(qū)動及過流過壓保護電路、電流電壓采樣電路。

2.2 隔離穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的工作過程

圖1 反激式24VDC/5VDC隔離穩(wěn)壓電源原理圖

Unitrode公司生產(chǎn)的新型控制器件UC3842能產(chǎn)生固定頻率而脈沖寬度可調(diào)節(jié)的驅(qū)動信號，控制開關管MOSFET的通斷狀態(tài)實現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)壓。24VDC/5VDC電源系統(tǒng)的拓撲圖如圖2所示。當MOSFET管Ql的柵極為高電平脈沖時，直流電壓+ 24VDC加在變壓器T1的一次側(cè)繞組兩端，一次側(cè)繞組相位上正下負，而T1的二次側(cè)繞組相位是上負下正，整流管D2反向偏置截止，變壓器的一次側(cè)繞組儲存能量；當Ql柵極低電平脈沖時，Ql截止，變壓器儲存的能量經(jīng)過D2向負載RL釋放。

圖2 反激式24VDC/5VDC系統(tǒng)的拓撲圖

3.系統(tǒng)設計

3.1 器件的選擇

（1）高頻變壓器磁性材料選擇：MOSFET管工作頻率為80kHz，高頻變壓器采用國產(chǎn)MXO-錳鋅鐵氧體EI-12結(jié)構(gòu)磁芯，其磁導率為μ=2000，磁芯的有效面積Ae=1.44cm2。磁芯飽和磁通密度Bs=400T，為了防止磁飽和，實際使用時取磁通密度250T；

（2）功率開關管選擇：正常情況下，系統(tǒng)輸入電壓在18VDC~30VDC范圍內(nèi)，為了安全，選擇美國IR公司生產(chǎn)的IRFP150型MOSFET管，其漏源極耐壓100V，最大漏極電流41A，最大功耗150W，完全能滿足要求。二次側(cè)整流二極管選用S30SC4M肖特基二極管，它具有反向最大45V、30A大電流、低功耗等特點，其最大正向壓降為0.55V，反向恢復時間小于10nS。

（3）高頻變壓器繞組設計：開關管關斷時，承受的最大應力電壓Vms為50V，即使加上關斷瞬間開關管上值為Vms的40%（即20V）的漏感尖峰，它仍有30V的電壓裕度。其變壓器變比：

式中：VINmax=30V，Vo=5V，得到n=Np/Ns=3.6。

設系統(tǒng)效率為0.85，則輸入電流IIN：

一次側(cè)負載電流IOR：

開關功率管的最大占空比Dmax：

原邊繞組匝數(shù)：

取整數(shù)Np=11，NS=11/3.6=3；其輔助電源的自饋線圈匝數(shù)為：

取整數(shù)13匝。

（4）功率MOS管的開關頻率設置：功率開關頻率是由UC3842芯片內(nèi)部的振蕩器的頻率決定，而振蕩器的頻率是由UC3842引腳4的外接元件R11=10kΩ和C8=2200pF的參數(shù)決定，其開關頻率由式7計算：

f=1.73/（C2×R2）=78.6kHz≈80kHz（7）

3.2 輔助電源

當系統(tǒng)正常工作時，UC3842由自饋線圈、D4、R20、C11、ZD2構(gòu)成的輔助電源供電。輔助電源設計應考慮：（1）啟動電流；（2）啟動延遲時間；（3）在最高和最低輸入電壓時的充電電流。UC3842的啟動電流為30uA，工作最大電流3mA，啟動電壓16V，關閉電壓為10V。R3為降壓啟動電阻，直流輸入24V電壓經(jīng)R3給電容C11充電，當C11電壓充到16V時，UC3842啟動工作。

實際取267k時則啟動時間太長，本處R3取80kΩ。輔助電源中整流二極管選擇HER107型快恢復二極管，額定整流電流為3A。

3.3 緩沖電路的設計

由于高頻變壓器漏電感及感性負載引起過高的開關應力，容易導致開關管的損壞，因此采用RCD緩沖網(wǎng)絡來抑制開關應力，從而選用耐壓值較低的開關管，降低了成本及系統(tǒng)損耗。RCD緩沖網(wǎng)絡中電容C1和電阻R1按（9）選取：

式中：Ip為原邊電流最大值，Vceo為所選擇的的開關管耐壓額定值，tf為集電極電流下降時間。

R1的取值必須保證在最大輸入電壓和最小負載電流時C1充分放電，其取值按式（10）選?。?/p>

R1=0.5toff/C2（10）

本電源系統(tǒng)中，D1采用肖特基二極管FR107，C1取值222/1kV，R1取值2.2kΩ/2W。

輸出整流電路二極管即使采用快恢復肖特基二極管，仍然可能承受至少兩倍的尖峰電壓，同樣需要有效的緩沖電路減少二極管應力，即在二極管兩端并聯(lián)RC緩沖電路。本電源系統(tǒng)中，C12取值103/1kV，R18取值5.1/1W。

3.4 過流、過壓及欠壓保護電路

電源對電路中出現(xiàn)短路、過壓、欠壓具有保護功能，由于某種原因輸出端短路而產(chǎn)生過電流，開關管Q1的漏極電流將大幅度上升，通過脈沖變壓器TC采集Q1源極電流，經(jīng)D5二極管整流，R15兩端的電壓上升，UC3842的腳3上電壓上升。當該腳電壓超過正常值0.3V，達到1V時，UC3842內(nèi)置PWM比較器輸出高電平，使PWM鎖存器復位，關閉UC3842的腳6輸出，功率MOS管Q1截止，關閉輸出，保護了系統(tǒng)。

圖3 輸出整流電路

如果直流輸入電壓過高，UC3842無法調(diào)節(jié)占空比，變壓器的初級繞組電壓大大提高，UC3842的腳7供電電壓也急劇上升，腳2的電壓也上升，關閉其腳6輸出。如果輸入電壓低于18V，UC3842的腳1電壓也下降，當降至1V以下時（正常值為3.4V），內(nèi)置PWM比較器輸出高電平，使PWM鎖存器復位，關閉UC3842的腳6輸出。

4.試驗結(jié)果及分析

對設計的電路進行了實驗，圖4為控制器UC3842的腳4三角波振蕩波形，圖5為系統(tǒng)空載時，控制器UC3842腳6輸出的MOSFET驅(qū)動波形；圖6為額定負載時控制器UC3842腳6輸出MOSFET管的驅(qū)動波形。功率開關管驅(qū)動波形的PWM占空比隨著負載加大而增大，以滿足輸出電壓的需要。當空載時，驅(qū)動信號占空比約為7.7%；當額定負載時，其占空比約為23%。

圖4 UC3842腳4三角波振蕩波形圖

圖5 空載MOS管的驅(qū)動波形

圖6 額定負載時MOS管的驅(qū)動波形

5.結(jié)論

本文采用電流型PWM控制芯片UC3842研制了一款24DC/5VDC直流隔離穩(wěn)壓電源，系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)換效率高，電源體積及紋波小，性價比高等特點。

[1]孫駟洲，郭興眾，陸華才，徐曉光．基于UC3846的24V/24V直流隔離電源研制[J].安徽工程大學學報，2011，（2）:59-61.

[2]房緒鵬，等．基于UC3842的反激式開關電源設計[J].山東科技大學校報，2011，（8）：99-105.

[3]陳鐵軍，王梓宇，黃峰茜.基于雙電流控制模式的開關電源的設計[J].電源技術，2009，（2）:168-170.

[4]謬仲翠，張海明.基于UC3842直流斬波電源的設計[J].電源技術，2012，（12）:1887-1888.

[5]陳富軍，衡耀付，季鋼.新型開關穩(wěn)壓電源的優(yōu)化設計與實現(xiàn)研究[J]，河南大學學報（自然科學版），2010，（7）:357-360.

（責任編輯：劉偉）

TM433

A

1671-752X（2015）03-0054-03

2015-05-25

孫駟洲（1976-），男，安徽和縣人，安徽工程大學電氣學院講師。

安徽省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃（編號：AH201310363231）；安徽省科技攻關計劃項目（編號：1501021015）；蕪湖市2014年度科技計劃重點項目（編號：2014cxy06）。