便携可调高功率升压电源设计

张 松， 李 杰， 侯利朋， 刘 俊， 陈 伟

(1.中北大学电子测试技术国防科技重点实验室;仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051;2.山西北方惠丰机电有限公司科研设计二所，山西长治 046012)

0 引言

不同的便携式设备需求的供电电压不尽相同，目前大部分车载电源先将汽车蓄电池的DC12 V升高到AC220 V，再通过车载适配器给车载设备供电。但是两次电压变换会降低电源效率，导致蓄电池续航时间变短［1］。目前也有一些DC/DC电源，但功率都比较小，无法满足某些特殊设备的需求，如车载电脑等。因此对于高功率DC/DC升压电源的需求日益迫切，所以研制开发便携式新型低压开关电源有重要意义［2-3］，要求其具有体积小、功率大、损耗小、效率高、应用范围广等优点。

本文在深入了解Boost拓扑结构基础上，提出一种基于UC3843芯片的 DC-DC模块电源设计方案。经过实验验证，该模块电源实现了直流电压12～24 V的转化，且输出电压可在24～31 V之间根据用户的实际需求进行调节［4］，并在数码管上实时显示。与此同时，电源输出功率30 W，DC-DC变换效率达到80%，输出纹波电压35 mV，对于输入电压稳定性要求高的便携式设备有一定的实际应用意义。

1 系统工作原理

系统组成原理图如图1所示，采用非隔离Boost结构作为DC-DC主回路拓扑结构，以高性能固定频率电流模式控制器UC3843作为电源的控制芯片，控制开关管的开断，结合电压和电流反馈回路对输出电压进行调节［5-6］。通过LM7805芯片将12 V输入电压稳压到5 V，为ATmega8供电，通过单片机ADC 6通道采集模拟电压，将采集到的模拟输入量转换为数字信号后输出，并在数码管上实时显示。

图1 系统总体组成

2 系统硬件设计

硬件电路由DC-DC主拓扑、开关管驱动、输出电压显示三个模块组成。

2.1 DC-DC 主拓扑

本设计采用结构比较简单的Boost拓扑回路实现升压功能，由储能电感L1，PWM控制开断的开关晶体管IRF540，续流二极管MBR2045ct及储能滤波电容C4组成，电路图如图2所示。

图2 Boost主拓扑电路图

2.1.1 电感的确定

当开关管处于ton时，开关管为导通状态，二极管处于截止状态，流经电感和开关管的电流逐渐增大，电感两端的电压为Ui，开关管导通和电流取样电阻的压降之和为Us，则电流增加部分ΔILon满足:

当开关管处于toff时，开关管截止，二极管处于导通状态，储存在电感中的能量提供给输出，流经电感和二极管的电流处于减少状态，二极管正向压降为Uf，电感两端电压为Uo+Uf－Ui，则电流减少部分ΔILoff满足:

电路稳定状态下(即电流连续后到最大输出时)，ΔILon=ΔILoff得:

若忽略电感损耗(电感输入功率等于输出功率)即满足:

由式(4)和(5)得电感平均电流:

式中，f为开关频率。

为保证电流连续，电感应满足:

由式(6)～(8)可得满足电流连续情况下的电感值:

由式(1)得电感的电流纹波:

根据设计要求计算电感的相关参数。首先，根据输入电压和输出电压确定最大占空比。由式(4)得:

当输出最大负载时至少应满足电路工作在CCM模式下，即必须满足:

其次，考虑在10%额定负载以上电流连续的情况。电路在额定输出时电感纹波电流为平均电流的20% ～30%，增加ΔIL可以减小电感，但为不增加输出纹波电压，须增大输出滤波电容，取30%为平衡点［7］，即:

由式(7)和(10)可得式(11):

流过电感的峰值电流:

所以选择50～100 μH且通过10 A电流不会饱和的电感。

2.1.2 开关管的选择

本设计选择MOSFET场效应晶体管作为开关管。MOSFET晶体管是单极型器件，频率特性好，常用于高频低压领域。在选择开关管时，要考虑最大漏-源电压VDSS、连续漏电流ID和导通内阻RDS(ON)［8］。根据确定电感时的相关数据，选择IRF540作为开关管，其具体参数为UDSS=100 V、ID=23 A、RDS(ON)=77 mΩ。

2.1.3 整流二极管的选择

该电路中输出二极管首先须能承受与输出电压等值的反向电压，并能传导负载所需的最大电流，同时防止开关闭合时，电容的电荷流向开关管至其损坏。此外，二极管要有较小的正向压降及电流快速恢复的特点，以减少功率损耗。本设计选用MBR系列肖特基二极管。经过计算，流过二极管的峰值电流为:

所以选择型号为MBR2045ct的肖特基二极管，其参数为:峰值反向电压45 V，正向连续电流20 A，正向压降 0.84 V。

2.1.4 滤波电容的选择

输出电容有滤波和储能的作用，输出电容的选定取决于对输出纹波电压的要求，纹波电压与电容的等效串联电阻ESR有关，电容的允许纹波电流要大于电路中的纹波电流。

另外，为满足输出纹波电压相对值的要求，滤波电容应满足:

式中只有ΔUo是不确定的，由该式知，电容的容值与输出纹波电压成反比关系［9］。

根据计算的ESR值和容值选择电容，由于低温时ESR值增大，故应按低温下的ESR值来选择电容，所以选用2 200 μF/50 V频率特性好的电解电容。

2.2 开关管驱动

选择和设计MOS管驱动时需注意两个方面。①可提供瞬间短路电流的大小;②高端驱动的NMOS导通时需要栅极电压大于源极电压，而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压(UCC)相同，所以这时栅极电压要比UCC4 V。上述4 V就是IRF540的最大导通电压［10］。IRF540仅需要1 mA的短路电流就能导通，因此选用电流控制型芯片UC3843来驱动MOS管的开断。该芯片集成高增益误差放大电路，电流取样比较器及可微调振荡器，能精确的控制占空比。UC3843外围电路图如图3所示。

图3 UC3843外围电路

2.2.1 振荡器电路

UC3843通过Uref引脚输出5 V基准电压给定时电阻R7和定时电容C9充电，C9通过器件内部电流源放电，芯片工作频率:

取R7=7.5 kV，C9=4 700 pF，则f=49 kHz。

2.2.2 电流采样与限流电路

由UC3843内部结构知，采样电流通过电阻转成的采样电压不能超过1 V，否则芯片会保护性的停止输出。考虑取样电阻的功耗及限流影响输出功率，取采样电阻R8=0.04 Ω。当R8串连到MOS管源极时，整流管和电感会造成电流波形的前沿出现较大尖峰，接入R5和C7构成滤波电路滤除尖峰，避免芯片误判而保护性停止输出［11］。

2.2.3 电压反馈电路

UC3843根据电压反馈来确定当前的输出脉宽。R4、R6及R9构成电压反馈电路，通过此反馈来确定脉宽宽度，它和2.5 V基准电压做比较来确定误差电压，若反馈电压高于2.5 V，则脉宽变窄，反之变宽，由此可以确定输出24 V时所选电阻的阻值;通过调节R9的值可以改变输出电压，达到电压可调的目的［12］。

2.2.4 误差放大器电路

UC3843输出端与反相输入端之间应接补偿网络，以便控制闭环频率响应。反馈补偿网络在回路传输特性的处将产生一个极点。取Rf=220 kV、Cf=1 000 pF，该极点可消除功率电路中滤波电容等效串联电路产生的零点，改善放大器的动态响应，从而提高开关电源的稳定性［13］。

2.2.5 推拉输出

当UC3843推拉输出驱动MOS管时，峰值电流可达±1 A，可直接驱动MOS管，但根据MOS管特性，应在推拉输出端和栅极之间接一个20 Ω的电阻以起到隔离缓冲的作用［14］。

2.3 输出电压显示

ATmega8有一个10位的逐次逼近型 ADC。该ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口C的8路单端输入电压进行采样;ADC还包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定［15］。通过写ADMUX寄存器的REFSn位把AVCC或内部2.56 V参考电压连接到AREF引脚。在AREF引脚上加一个电容进行解耦，以更好地抑制噪声［16］。

当ADEN置位时参考电压及输入通道选择才生效，ADEN清零时ADC并不耗电，因此在进入节能睡眠模式之前关闭 ADC。设置 ADCSRA寄存器的ADEN即可启动ADC，ADC将转换成的数字量存放于数据寄存器ADCH及ADCL中。

本设计选用ADC6通道采集模拟电压，C0～C3为位选输出，D0～D7为段选输出，AREF接地，参考电压为MVCC，电路图如图4所示。

图4 ATmega电压采集

通过程序控制ADC电压采样，将转换后的数字量进行电压换算，并点亮共阴极数码管实时显示。

3 实验验证

3.1 便携性测试

系统整机电路，其尺寸:长7 cm，宽4 cm，便携易带。

3.2 功率和效率测试

通过改变负载大小测试系统的承载能力，并计算输出的最大功率及电源效率。数据如表1所示。

输出功率达到30 W，效率达到80%，且效率随负载增大而增大。负载小时，电路中电流较大，二极管和开关管功耗会增大，且电流增大会使电感容易磁饱和，损耗增大。

表1 不同负载的相关数据

输出纹波电压均值为35 mV，如图5所示。

图5 输出电压纹波

3.3 输出电压可调测试

该系统可在24～31 V之间稳压输出，其表2。

表2 不同输出电压的相关参数

通过可变电阻R9调整输出电压，从而使反馈电压最终保持在2.5 V左右。

输出电压改变时，系统仍能很好地带负载输出。输出电压28 V，负载30 Ω时，PWM波形正常，输出电压稳定，系统工作正常。

4 结语

采用UC3843控制开关管开断，Boost拓扑结构升压，电路结构简单，成本低，提高了电源效率及性价比。7×4 cm2的整机结构，便携易带;输出功率达到30 W，如果增大电感线径，输出功率仍可以提高，可以满足某些功率偏大的便携设备的要求;通过调节可变电阻改变反馈电压，达到改变输出电压的目的，并直观显示在数码管上，满足不同设备的供电要求。为DC-DC变换电路的快速实现提供一种工程方面的参考。

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