dcdc升压电源模块的设计(编辑修改稿)

dcdc升压电源模块的设计(编辑修改稿)内容摘要：

压型控制器的输出电压反馈控制部分，又增 加了一个反馈环节， 它的电路工作原理是：与经误差放大器比较放大后得到 ，由恒频时钟脉冲置位锁存器输出脉冲驱动管导通，电杭州电子科技大学本科毕业设计 9 源电路中因输出电感的作用使脉冲电流逐渐增大，当电流在采样电阻 RS 上的电流信号电压 VS幅 度达到电平时，脉宽比较器的状态反转，锁存器复位，驱动撤除，功率管关断，电路逐个的检测和调节电流脉冲，控制电源输出。 E r r o rA M P U r e f U o u t U eP W MC O M PSR QL A T C HC L O C KR sU sU i nU o u t图 34 电流控制电路图 电压控制模式电路控制过程中电感电流未参与控制，是独立变量，开关转换器为二阶系统，有两个状态变量，即输出滤波电容的电压和输出滤波电感的电流。 二阶系统是一个有条件的稳定系统，只有对控制电路进行精心设计和计算，满足一定条件，方能使闭环系统稳定工作。 开关电源的电流均流经电感，将使滤波电容上的电压信号对电流信号产生 90 度 延迟。 因此，仅用电压采样的方法反应速度慢，稳定性差，甚至在大信号变动时产生振荡，从而损坏功率器件，以致在推挽和全桥等电路中引起变压器偏磁化饱和而产生电流尖峰，最终导致线路工作失常。 电流型控制器正是针对电压型控制器的缺点发展起来的，它增加了电流反馈环，电感电流不再是一个独立变量，从而使开关转换器成为一个一阶无条件的稳定系统，它只有单个极点和 90 度相位滞后，因而很容易不受约束的得到大的开环增益和完善的小信号、大信号特性。 本系统即采 用电流控制型的 UC3842 作为主回路的控制 芯片。 根据 UC3842 的功能特点， 结合 Boost 电路拓扑结构，完全可设计成电流控制型的升压 DCDC 电路。 该电路外接元器件少，控制灵活，成本低，具有其他专用芯片难以实现的功能。 另外，给定电压的稳定主要由硬件电路完成，实时性好，可靠性高，不需要用到高速单片机 [9]。 如图 35 为 UC3842 控制芯片及周围电路。 杭州电子科技大学本科毕业设计 10 COMP1VFB2SEN3RT/CT4GND5OUT6VCC7Vref8U5UC384210kRtCtGND20kRfIrefRr104CrUinUref22Ro20kRo1PWM(out)104Cf1 图 35 UC3842控制芯片及周围电路 系统性能指标 本系统设计中，首先要完成的就是实现直流输入电压在 15V20V 范围内能够输出直流电压在 3236V 之间可调。 如果这一功能不能实现别的技术指标就不可能达到，这是实现全部 技术指标的基础。 因此，根据以上要求设计本系统的性能指标如下： （ 1）直流输入电压从 15V 到 20V，直流输出电压在 32～ 55V之间； （ 2）最大输出电流 Io=1A； （ 3） DC/DC 转换效率大于 70%； 总之，通过上面的介绍，可以大体上了解整个系统的结构和工作原理，接下来将进行具体的电路原理图设计。 杭州电子科技大学本科毕业设计 11 4 硬件设计 本系统主要以 Boost 为主拓扑电路、驱动以 UC3842 为脉宽调制芯片为主，它们共同构建起了整个 DC/DC 变换系统。 Boost主拓扑电路设计 本系统利用最为简单可靠的 Boost 斩波结构，开关的开通和关断受外部 PWM信号控制，电感 L将交替地存储和释放能量，而电容 C可将输出电压保持平稳，通过改变 PWM控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化。 Boost 升压电路可以工作在电流断续工作模式 (DCM)和电流连续工作模式 (CCM) [10]。 图 32所示的是本系统的 Boost 拓扑电路。 Boost 拓扑结构升压电路基本波形如图 41所示。 开关管 S漏极电压波形 Ton Toff △ ILon 开关管 S电流波形 ILp 电感 L电流波形 IL(ave) △ IL △ ILoff 整流二极管 D电流波形 Id(ave) 输出电容 C2电流波形 Ic2(ave) △ Ic2 图 41 onT 时，开关管 S为导通状态，二极管 D 处于截止状态，流经电感 L 和开关管的电流逐渐增大，电感 L 两端的电压为 iV ，考 虑到开关管 S 漏极对公共端的导通压降 sV ，即为 si VV。 onT 时通过 L的电流增加部分 onIL 满足式 (1)。 杭州电子科技大学本科毕业设计 12 L TVVIL onsion )(  （ 1） 式中： sV 为开关管导通时的压降和电流取样电 阻 sR 上的压降之和，约。 ofT 时，开关管 S 截止，二极管 D 处于导通状态，储存在电感 L 中的能量提供给输出，流经电感 L和二极管 D的电流处于减少状态，设二极管 D的正向电压为 fV ，ofT 时，电感 L 两端的电压为 oV + fV iV ，电流的减少部分 offIL 满足 (2)。 L TVIL o ffio ff ) +VV ( fo  （ 2） 式中： fV 为整流二极管正向压降，快恢复二极管 ，肖特基二极管。 在电路稳定状态下，从电流连续后到最大输出， onIL = offIL ，由式 (1)和 (2)可得 ifsionoff VVVVTT oV （ 3） 因占空比 D= onT /T,即最大占空比 maxD oofofom a x VV+VV +VV isi VVVD  （ 4） 如果忽略电感损耗，电感输入功率等于输出功率， 即 oavei IIlV  oV （ 5） 由式（ 4）和式（ 5）可得电感平均电流 DIIl oave  1 （ 6） 同时由式 (1)得电感器电流纹波 ， 式中： f为开关频率。 fL DVVIl si  )( （ 7） 为保证电流连续，电感电流应满足 2/IlIl ave  （ 8） 考虑到式 (6)、式 (7)和式 (8)，可得到满足电流连续情况下的电感值为 fI DDVVL osi   )1()(2 （ 9） 另外，由 Boost 升压电路可知，开关管电流峰值 Is(max)=二极管电流峰值Id(max)=电感器电流峰值 Ilp。 )2/( IlIlIlp ave  （ 10） 开关管耐压 foff VVds  oV （ 11） 二极管反向耐压 rV = oV aV （ 12） 控制芯片及外围电路 采用 UC3842 作为主回路的控制芯片。 UC3842 价格低廉，广泛应用于电子信息设备的电源电路设计中。 根据 UC3842 的功能特点，结合 Boost 电路拓扑结构，杭州电子科技大学本科毕业设计 13 完全可设计成电流控制型的升压 DCDC 电路。 该电路外接元器件少，控制灵活，成本低，具有其他专用芯片难以实现的功能。 另外，给定电压的稳定主要由硬件电路完成，实时性好，可靠性高，不需要用到高速单片机，也随即降低了软件编写的难度。 本系统控制驱动具体电路如图 35所示。 UC3842 是高性能固定频率电流模式控制器专为离线和直流至直流变换器应用而设计，为设计人员提供只需最少外部元件就能获得成本效益高的解决方案。 这些集成电路具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、温度补偿的参考、高增益误差放大器。 电流取样比较器和大电流图腾式输出，可以直接驱动外部功率开关管，所以是驱动功率 MOSFET 的理想器件。 其他的保护特性包括输入和参考欠压锁定，各有滞后、逐周电路限制、可编程输出静区时间和单个脉冲测量锁存。 有 16V（通）和 10V（断）低压锁定门限，十分适合于离线变换器，这里采 用 DC输入直接给芯片供电 [11]。 UC3842 管脚如图 42所示，其功能说明如表 41。 图 42 UC3842管脚图 表 41 UC3842管脚功能介绍 管脚 功能 说 明 1 补偿 该管脚为误差放大器输出，并可用于环路补偿 2 电压反馈 该管脚是误差放大器的反向输入，通常一个电阻分压器连至开关电源输出 3 电流取样 一个正比于电感器电流的电压接至此输入，脉宽调制器使用此信息中止输出开关的导通 4 tC/Rt 通过将 电阻 tR 连接至 refV 以及电容 tC 连接至地，使振荡器频率和最大输出占空比可调，工作频率可达 500KHZ 5 地 该管脚是控制电路和电源的公共地 6 输出 该输出直接驱动功率 MOSFET的栅极，高达 1A的峰值电流经此管脚拉和灌 7 ccV 该管脚是集成电路的正电源 8 refV 该管脚为参考输出，它通过电 阻 tR 向电容 tC 提供充电电流 1 2 3 4 5 6 7 8 杭州电子科技大学本科毕业设计 14 UC3842 是专为低压应用设计的，低压锁定门限为 （通）和 (断 )，其主要特性有： 1）微调的振荡器放电电流，可精确控制占空比 2）电流模式工作到 500千赫 3）自动前馈补偿 4）锁存脉宽调制，可逐周限流 5）内部微调的参考电压，带欠压锁定 6）大电流图腾柱输出 7）欠压锁定，带滞后 8）低启动和工作电流 如图 43所示为 UC3842 内部结构及工作原理图。 其中内部误差放大器与电 流检测比较器的输入设计将直接影响系统的整体稳定性，因此在设计好之后调试过程中也要非常注意。 V r e f欠 压 锁 定5 . 0 V参 考 电 压V c c欠 压 锁 定锁 存脉 宽调 制 器振 荡 器+V r e f8 ( 1 4 )R T C T4 ( 7 )电 压反 馈输 入2 ( 3 )输 出 补 偿1 （ 1 ）误 差放 大 器地 5 （ 9 ）V c c 7 ( 1 2 )V c7 ( 1 1 )输 出6 （ 1 0 ）电 源 地5 （ 8 ）电 流 检 测输 入3 （ 5 ） 图 43 UC3842内部结构及工作原理图 这种电流型控制电路的主要特点是： （ 1）输入电压的变化引起电感电流斜坡的变化，电感电流自动调整而不需要误差放大器输出变化，改善了瞬态电压调整率； （ 2）电流型控制检测电感电流和开关电流，并在逐个脉冲的基础上同误差放大器的输出比较，控制 PWM 脉宽，由于电感电流随误差信号的变化而变化，从而更容易设置控制环路，改 善了线性调整率； （ 3）电流型控制电路中需要对电感电流的斜坡进行补偿，因为，平均电感电杭州电子科技大学本科毕业设计 15 流大小是决定输出大小的因素，在占空比不同的情况下，峰值电感电流的变化不能与平均电感电流变化相对应，特别是占空比， 50％的不稳定性，存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差，即使占空比小于 50％，也可能发生高频次谐波振荡，因而需要斜坡补偿，使峰值电感电流与平均电感电流变化相一致，但是，同步不失真的斜坡补偿技术实现上有一定的难度。 （ 4）简化了限流电路，在保证电。