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直流600V输入多路输出高频开关电源设计
时间: 2011-3-12 16:04:18   点击数:0

1 引言

随着现代工业的不断发展,对电源装置的性能、效率、重量等提出了更高的要求,常规的线性电源已经不能满足要求。开关电源采用高频脉宽调制控制技术, 具有性能好、效率高、体积小、重量轻、噪音低、稳压范围宽等特点。本文介绍了一个应用在工业大功率电源中,作为辅助电源的大范围输入、多路输出的高频开关电源

2主电路

 电源的主要技术指标是:直流输入 400V-630V;直流输出为5V/0.8A ,15V/0.4A ,15V/0.5A ,15V/0.6A, 20V/2A;电源效率 85%;变压器变比是 100/3、 4 、5、 5、 6。主电路
见图1。

 

 图1 主电路

图中二极管改为空心通直线,电容为平行直线,符号改为斜体,脚注改为小写正体

 主电路采用双管反激功率变换电路,反激电路的一个优点就是能够较简单的从一个电源得到多个输出。输入电压较高为600V,如果采用单管的方式,在MOSFET关断的瞬间会承受(3-4)倍输入电压Vin,这样对MOSFET的电压要求高,因而造价比较昂贵,采用双管就能避免这个问题。图1中二极管D19、 D31起钳位的作用,把过剩的能量反馈回电源中,并在MOSFET关断的瞬间把电压钳位在Vin,这样对元器件的要求较低,实现起来比较容易。工作中通过控制芯片产生PWM,驱动电路以PWM方式激励MOSFET,开关管以同步的方式开通关断,从而将输入电压Vin变换成高频方波交流电压。脚注改为小写正体

 变压器的设计是整个电路的关键之一。在设计变压器时,原边电感量不能太大,并且磁心中要增加气隙,否则会出现电流上升率小、导通时间短、电流上升值不大,导致电路没有能力传递所需功率。同时,在设计变压器时必须认真考虑变压器的磁饱和瞬时效应。在瞬变负载情况下,当输入电压较高而负载电流较小时,如果负载电流突然增加,则控制电路会立即加宽输出脉冲宽度来提供补充功率。这样,输入电压和脉冲宽度同时变为最大,即使只是一个短暂的时间,但变压器也会出现饱和,引起失控和故障。这就要求变压器设计时应按高输入电压、宽脉冲进行设计。

3控制电路

 控制电路采用电流型PWM控制技术,如图2所示。

 

 图2  控制电路

图中二极管改为空心通直线,电容为平行直线,删除‘+’号,符号改为斜体,脚注改为小写正体

(1)PWM脉冲形成及闭环稳压

 为了获得好的电压调整率、负载调整率及系统稳定性,本设计采用电流型控制芯片UC3844,其最大占空比为50%,启动电压16V,具有过压保护和欠压锁定功能。其基本工作过程如下:首先,输出电压被反馈网络降压,然后把这个反馈电压送入误差放大器,使之与基准电压相比较而产生一个误差电压信号。脉宽调制部分接收这个误差电压并且把它与功率变压器的电流相比较,并转化为合适的占空比去控制输出部分功率脉冲调制的数量。图2中R16与C14决定系统的工作频率,在误差放大器输出1脚与反馈2脚之间所接C11、 C12、 R5起到补偿作用,D2、 D3、 C5、 C6 、R6使UC3844能够实现软起动,时间由C5、 C5决定,启动电阻R3由IC启动电流决定,UC3844结构框图见图3。脚注改为小写正体

 

图3  UC3844结构框图

(2)驱动电路

选择驱动电路时,首先考虑MOSFET开关电压上升和下降时间完全取决于驱动电路移走栅极电荷的速度,因此选择低阻抗大电流的驱动,以便使MOSFET能更快开关并减小开关损耗。其次要避免当控制电压在开和关之间变换时不会产生过冲电流。根据上述考虑,选用射极跟随互补双极驱动,然后通过一个高频脉冲变压器驱动两路MOSFET 以便隔离 ,具体电路见图4。

 

 图4 射极跟随互补双极驱动电路

图中二极管改为空心通直线,符号改为斜体,脚注改为小写正体
    图4中R153、 R154对IC提供电流限制保护,双反串联稳压二极管是用来对功率MOSFET的栅源电压过高的保护, 稳压管稳压值为+ 12V,R155 、 R156是用来降低漏源阻抗。

(3)返馈电路

 选用的返馈电路见图5。

 

 图5  返馈电路

图中二极管改为空心通直线,符号改为斜体,脚注改为小写正体,‘U3 ’改为‘ V3’

 对于开关电源,隔离技术和抗干扰技术是至关重要的。光耦合器的主要优点是单向传输信号,输入端与输出端完全实现了电气隔离,抗干扰能力强,使用寿命长,传输效率高。所以,本设计采用光耦隔离作为返馈回路, 该电路利用输出电压分压后与TL431构成的基准电压比较,通过光电耦合器TLP521-1中二极管-三极管的电流变化去控制UC3844的返馈脚,从而改变PWM宽度,达到稳定输出电压的目的。参数的确定:根据经验先选取If的电流为0.4mA,R126为330Ω,R125为10kΩ,Rr2为1kΩ的可调电阻,V3为15V,Vr为431,其基准电压2.5V,则R124=(V3/Vr-1)R125=50(kΩ)。脚注改为小写正体

4 结论
 本电源采用电流型PWM控制芯片UC3844,其具有动态响应快,频率响应特性好,精度高,电压调节范围宽,纹波小,系统稳定,能很好地满足工业电源的要求。

 

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