中心議題：
- 多路輸出模塊電源工作原理
- 多路輸出模塊電源設(shè)計(jì)與單路輸出的比較
- UC3843外圍電路設(shè)計(jì)及需注意的問(wèn)題
- 15W三路輸出DC/DC模塊電源設(shè)計(jì)
- UC3843外圍電路設(shè)計(jì)
- 高頻變壓器的設(shè)計(jì)
- 輸出耦合電感的設(shè)計(jì)
引言
DC/DC模塊已被廣泛應(yīng)用于鐵路通信、微波通訊、工業(yè)控制、船舶電子、航空電子、 地面雷達(dá)、消防設(shè)備和醫(yī)療器械教學(xué)設(shè)備等諸多領(lǐng)域，其中有許多應(yīng)用場(chǎng)合需要多路輸出，如在單片機(jī)智能控制器中，單片機(jī)供電需要5V，而運(yùn)放通常需要12V。在設(shè)計(jì)多路輸出時(shí)，有許多地方和單路輸出不同，既要考慮變壓器管腳限制、多副邊變壓器設(shè)計(jì)、各路的穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)，又要考慮每路輕載及滿載的負(fù)載調(diào)整率，以及負(fù)載的交叉調(diào)節(jié)特性等。本文將通過(guò)一個(gè)給單片機(jī)智能控制器供電的15W三路模塊電源的設(shè)計(jì)實(shí)例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明多路輸出模塊電源的設(shè)計(jì)。
模塊電源的工作原理
本文針對(duì)單片機(jī)主板供電電源所設(shè)計(jì)的多路輸出開關(guān)電源如圖1所示，其中電感L201、 L202、L203是耦合電感，L204是偏置繞組，由于變壓器管腳限制，取自耦合電感。
圖1多路輸出開關(guān)電源原理圖
電源工作原理為：電路采用單端正激變換電路，當(dāng)變換器接通電源時(shí)，輸入直流電壓經(jīng)由電阻、12V穩(wěn)壓管D601和三極管Q601、Q602組成的電路穩(wěn)壓降壓后, 啟動(dòng)UC3843進(jìn)入正常工作，偏置繞組L204的供電電路開始工作，輸出經(jīng)A4和C601整流及濾波后輸出12V電壓，高于自供電電壓，使二極管A4反偏，啟動(dòng)電路停止工作。變換器進(jìn)入正常工作后，電源依據(jù)PWM脈寬調(diào)制方式工作，次級(jí)繞組的輸出經(jīng)過(guò)二極管整流以及電容器和電感器組成的LC型濾波器濾波后，產(chǎn)生所需的各路輸出直流電壓。+5V的輸出電壓由電阻器R402和R406分壓后，與可編程穩(wěn)壓源TL431(U3)中的2.5V參考電壓比較，然后通過(guò)光耦合器U2反饋到UC3843的2腳，控制脈沖的占空比，穩(wěn)定5V輸出。耦合電感L202和L203實(shí)現(xiàn)+/-12V兩路穩(wěn)壓。過(guò)流保護(hù)電阻R101、R102檢測(cè)到開關(guān)管的過(guò)流信號(hào)，送入3843的3腳，封鎖UC3843的輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。
設(shè)計(jì)方案選擇
DC/DC模塊電源以中小功率為主,功率大都在150W之下,采用的電路拓?fù)湟苑醇ず驼る娐窞橹?有時(shí)也采用推挽電路,電源要求體積小，設(shè)計(jì)時(shí)全部采用貼片元件。本模塊的主控芯片采用UC3843。
對(duì)于多路輸出，如果每路輸出電壓精度要求高，則每路都應(yīng)設(shè)計(jì)自己獨(dú)立的閉環(huán)穩(wěn)壓回路。如果只有一路是重要的負(fù)載，其他路負(fù)載較輕，并對(duì)于輸出電壓精度要求不是很嚴(yán)格，則只需給重要負(fù)載所在回路加反饋控制回路。本模塊的三路輸出中，由于5V輸出是比較重要的負(fù)載，輸出電流最大(2A),12V是運(yùn)算放大器供電電源, 允許電壓在1~2V范圍變化,電流較小(0.25A)，所以只在5V主路所在回路加穩(wěn)壓電路，+/-12V附路的穩(wěn)壓性能靠耦合電感實(shí)現(xiàn)。
單路輸出時(shí)，濾波電感采用獨(dú)立電感，但對(duì)多路輸出，輸出濾波電感不能采用獨(dú)立電感，而采用耦合電感，將三路的輸出濾波電感共同繞在一個(gè)磁芯上。這是由于只有5V主路受控，使得5V輸出電壓輸出特性較好，而+/-12V兩路較差，如果用獨(dú)立電感，會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題：首先是交叉調(diào)節(jié)問(wèn)題，即主路或附路的負(fù)載變動(dòng)應(yīng)起附路的附路的輸出電壓波動(dòng)的問(wèn)題；其次各路輸出有自己的濾波器，諧振點(diǎn)不同，變換器只一路受控，由于諧振頻率點(diǎn)的高阻抗特性，引起閉環(huán)環(huán)路增益下降和相移，對(duì)電流型控制回路影響特別嚴(yán)重。采用耦合電感,可降低制造成本,減小電源體積，滿足體積要求。[page]
UC3843外圍電路設(shè)計(jì)
開關(guān)頻率選擇
本電源設(shè)置開關(guān)頻率為250kHz，UC3843工作頻率可達(dá)500kHz，4腳是RT/CT鋸齒波振蕩器的定時(shí)電阻和電容的公共端，對(duì)于UC3843，式中：R是圖1中的R304，其值為6.8kΩ； C為圖1中的C302，其值為1nF。
啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)
直流電壓經(jīng)電阻、12V穩(wěn)壓管D601和三極管Q601、Q602組成的電路降壓穩(wěn)壓后，為UC3843提供啟動(dòng)電壓。啟動(dòng)電壓高于8.4V時(shí)UC3843才能工作，如果啟動(dòng)電壓低，則可通過(guò)調(diào)整R601和R602的阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)9.6V的啟動(dòng)電壓。
過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)
R101、R102為過(guò)流檢測(cè)電阻，阻值較小，以降低電阻上的損耗。檢測(cè)電壓送入U(xiǎn)C3843的3腳，高于1V時(shí)，過(guò)流保護(hù)電路工作，使6腳停止輸出矩形波，電路停止工作。此外還可利用UC3843的1腳電壓低于兩個(gè)二極管壓降時(shí)UC3843即關(guān)閉的特性給電源加上遙控端。
反饋誤差放大器設(shè)計(jì)
R302和R303構(gòu)成積分型調(diào)節(jié)器，兩者的比例關(guān)系影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。改變它們的比值可以改變UC3843電壓誤差放大器的放大倍數(shù)，對(duì)于一定的反饋電壓量，可使PWM調(diào)節(jié)器的輸出脈寬不同，從而影響輸出電壓調(diào)節(jié)幅度，即影響指標(biāo)中輸出的動(dòng)態(tài)響應(yīng)調(diào)節(jié)幅度。積分器的電容C305的大小影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度，即影響指標(biāo)中輸出的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。
高頻變壓器的設(shè)計(jì)
高頻變壓器磁性材料選擇的標(biāo)準(zhǔn)為高飽和磁感應(yīng),低剩磁。多路輸出變壓器一般要求有較大的窗口面積，DC/DC模塊電源可選用FEY型、FEE型、EUI型等，對(duì)于正激電路，理論上變壓器初級(jí)需有復(fù)位繞組Nr，這里考慮到變壓器腳位的問(wèn)題，選取高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁材，而去掉復(fù)位繞組,這樣使每次磁性都在磁化曲線的下部工作,避免磁芯飽和。
考慮高溫時(shí)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs會(huì)下降，同時(shí)為降低高頻工作時(shí)的磁芯損耗，工作最大磁感應(yīng)在一般選擇為2000~2500Gs。這里選取高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁材RM2.2KD，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為440mT。
根據(jù)廠家給出的磁芯材料手冊(cè)給出的輸出功率與磁芯尺寸的關(guān)系。這里選用了FEY15.3磁芯，其有效截面積為182平方毫米。
經(jīng)計(jì)算，繞組匝數(shù)如下：原邊N1為16匝，5V主路變壓器的副邊N2為4匝, +12V附路變壓器的副邊N3為10匝，-12V附路變壓器的副邊N4為10匝。
繞制時(shí)由于原邊、主路副邊電流較大，為減小漏感，分別采用雙線并繞法，及三線并繞法。
輸出耦合電感設(shè)計(jì)
在采用一路受控，其余兩路依靠耦合電感穩(wěn)壓的控制方式時(shí)，為了把輔助輸出電壓調(diào)節(jié)保持在1V的穩(wěn)定范圍內(nèi)，多路輸出時(shí)，主輸出的電感及每路電感要求工作在電感連續(xù)狀態(tài)。
耦合電感的設(shè)計(jì)方法不同于單路輸出的電感,它的設(shè)計(jì)方法是先進(jìn)行高壓支路到低壓支路的折算, 根據(jù)總輸出電流按單線圈選取磁芯，得到總導(dǎo)線截面積以及線圈導(dǎo)線尺寸、匝數(shù)。最后再分配到各支路，根據(jù)各路實(shí)際電流和次級(jí)匝比得到各線圈匝數(shù)和尺寸。
本模塊中電流連續(xù)模式電感磁芯采用與變壓器相同的材料，仍為FEY15.3。
電感匝數(shù)的選擇首先要滿足電感的匝數(shù)比等于主變壓器的輸出繞組的匝數(shù)比，在各路用相應(yīng)的變壓器匝數(shù)乘以2或3倍來(lái)設(shè)計(jì)電感匝數(shù)。這里選變壓器匝數(shù)的3倍，正好可以雙線并繞填滿窗口寬度。則V01路輸出電感匝數(shù)NL201為12匝，V02路輸出電感匝數(shù)NL02為30匝，V03路輸出電感匝數(shù)NL203為30匝。偏置繞組NL204為UC3843提供12V工作電壓，由于它的輸出電壓等于V02，所以其匝數(shù)也為30匝。
為了滿足負(fù)載調(diào)整率，互感必須很好耦合。所以在纏繞各個(gè)組時(shí)，應(yīng)當(dāng)使用相同線徑的幾條導(dǎo)線并排纏繞，并覆蓋整個(gè)骨架的寬度。
其他注意事項(xiàng)
(1) 在輸出需要隔離的情況下，應(yīng)提供一條可供漏級(jí)驅(qū)動(dòng)的位移電流從特定輸出流回電源初級(jí)的低抗回路。此低阻抗回路通常是一個(gè)連接在輸出接地端到主要的次級(jí)接地端上的電容(由特定輸出需要的絕緣電壓確定適當(dāng)值)，此輸出接地端通過(guò)安全電容Y與初級(jí)接地端連接，如圖1中的電容C001連接在隔離的交流3.4V輸出接地端與主要的電源輸出端之間。如果沒(méi)有為隔離的輸出提供此低阻抗電容通道，由變壓器繞組間電容傳送的共模位移電流將通過(guò)任何可供選擇的路線返回其位于變壓器初級(jí)的源端，而通過(guò)交流輸入導(dǎo)線傳輸?shù)奈灰齐娏骺赡茏阋詫?dǎo)致超過(guò)規(guī)定的傳輸調(diào)整指標(biāo)。這種類型的電路是否需要附加電容依變壓器的繞組間電容而決定，如果隔離輸出與初級(jí)間的電容足夠小，可以不用此附加電容。但是必須經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證此附加元件的必要性。此外，沒(méi)有此元件，開關(guān)管DS波形會(huì)發(fā)生振蕩。
(2) 除了要注意滿載時(shí)輸出的調(diào)整率，還要顧及輕載甚至空載輸出的調(diào)整率。為了防止空載時(shí)輸出電壓太高而損壞輸出整流管，必須給每路輸出均加上死負(fù)載，死負(fù)載值大小可以用實(shí)驗(yàn)方法確定，本模塊中給主路加430W，附路加1.5KW。死負(fù)載加得太大，會(huì)降低效率。另外主路和附路之間的死負(fù)載要配合調(diào)整，以滿足附路的電壓范圍。
(3) 輸出空載電壓可由TL431的分壓電阻確定，當(dāng)空載輸出電壓低時(shí)，可減小R406，保證TL431的2.5V基準(zhǔn)，通過(guò)調(diào)整分壓電阻R402、R406的比值可調(diào)整輸出空載電壓。當(dāng)不能滿足空載負(fù)載調(diào)整率時(shí)，可適當(dāng)改變整流管參數(shù)。
(4) 在布局布線時(shí)，各個(gè)元器件依照原理圖次序依次擺放，開關(guān)管漏極與變壓器原邊的連線要盡量短，UC3843所有的外圍元器件要盡可能靠近它自己，尤其是去耦電容和旁路電容必須布在相應(yīng)的管腳附近，必須在變壓器、開關(guān)管等發(fā)熱器件附近通過(guò)多個(gè)過(guò)孔把地層與散熱焊盤相連以提高散熱效果。
