王金雪,梁二文,刘政宇,徐博,郭鸿涛
(1.黑龙江科技大学,黑龙江 哈尔滨 150022;2.哈尔滨理工大学,黑龙江 哈尔滨 150006)
电源是电器设备必不可少的一部分,开关电源与线性电源是目前应用最广泛的电源。随着电力电子相关技术的进步与发展,开关电源相关技术不断创新,逐渐向集成化、小型化、精密化、高频化等方向发展。开关电源广泛应用于中小型家用电器、工业自动化设备、医疗设备、军事与国防、航天技术等领域,近年来,开关电源行业总体发展态势良好,市场规模不断扩大,在我国电源行业占有较大比重[1]。本文分析正激开关电源的工作原理,提出合适的设计方案,对参数计算和器件选择有较多讨论。
开关电源是一种高频转化装置,可以通过不同的变化电路得到需要的输出电压和电流。具有损耗小、效率高,稳压能力强等优点[2]。
正激变换器是隔离型开关电源,与同属隔离型开关电源的反激变换器结构和原理有较多相似处。隔离型开关电源输入输出不共地,通过电磁感应作用实现能量的转移,具有很好的安全性,其与非隔离型电源的主要区别在于是否有隔离变压器。
正激式变换器多用于大功率场合,可调节单个开关管占空比调节输出电压,此为单管正激,还有一种方法为通过两个开关管交替导通改变输出电压,为双管正激。单管正激需要专门的磁复位电路,双管正激磁复位方式较简单,且开关管承受的电压减半,电路更为复杂[3]。
在给Buck电路加入变压器隔离的情况下,如果没有磁复位绕组,开关管导通,变压器原边、副边的电压为上正下负,变压器原边的励磁电流从零开始线性增加,开关管关断,电流不再增加,开关管下一次开通时,电流继续增加。电流达到一定程度时,磁感应强度不再增加,变压器磁芯饱和,导致绕组电感量大大降低,由于电感感抗对电流有阻碍作用,电感量降低导致电流急剧增大,可能损坏开关元件,需要加入磁复位绕组。开关管关断,变压器原边副边无电流流过,能量转移到磁复位绕组,与二极管、电源形成回路,向电源反馈能量。电路降压原理与buck相同,即开关管导通,变压器一次、二次绕组上正下负,通过整流二极管向负载供电,流过电感的电流逐渐增大,开关管关断,电感电流不为零且不能突变,流经续流二极管,形成回路。在实际应用中续流二极管压降可能在0.5V左右,对小功率开关电源来说损耗较大,可用开关管代替续流二极管以减少损耗。
反馈隔离通过PC817与TL431配合实现,TL431是一种可动态改变稳压值的稳压源,其外接两个电阻,改变电阻阻值即可改变基准值,其动态输出阻抗低,典型值为0.2Ω。三个管脚分别为阳极、阴极、参考极。具体工作原理为:当正激变换器输出电压升高,采样电阻分压增大,因而TL431采样值增大,流过TL431的电流也增大,内部电路分压增大,导致输出管脚电压减小,实现稳压作用[4]。
PC817是光耦器件,共有四个引脚,为两个输入端与两个输出端,其工作原理为发光二极管有电流流过时,光信号可看作光电晶体管的输入电流,晶体管放大后有一定的输出,输入与输出无电气连接,实现隔离。
PC817输出端管脚连接UC3844的COMP(补偿管脚)与8脚(参考),输入连接TL431阴极,当TL431导通电流增大时,PC817输入电流也增大,输出端电流增大,芯片的参考电压降低,PWM占空比减小。反之,输出电压降低时,PWM占空比增大。
芯片选择UC3844,它是高性能电流模式控制器。PC817的输出由芯片补偿管脚输入,内部电路具有一个仅灌正真逻辑的误差放大器,输入1脚的电感电流与误差放大器的输出接在一起,当二者相等时,送入电流检测比较器的电平即不再增加。该电平与来自电流取样管脚的取样电流进行比较,送入脉宽调制锁存,只有振荡器在下个周期送入信号时,锁存器的输出状态才会改变[5]。
电流取样管脚同向端(3脚)连接了开关管源极与地之间串联的电阻,此电阻将取样电流转换为电压。由于电流比较器的比较输出作用,电感电流能达到的最大值随取样电流变化。如果电源输出太高,电流检测比较器的比较门限为前卫二极管的电压1V。芯片内部还有一个图腾柱结构,其功能和外部电路图腾柱功能相同,可以放大驱动外部mos管的电流。
设计目标:输入电压范围:DC 40~48V
额定输出:5V,5A
满载效率:η>=80%
输出最大纹波电压ΔVop-p<=60mV
开关频率:75kHz
系统总体流程图如图1所示。
图1 系统总体流程图
3.3.1 整体电路
系统整体电路图设计如图2所示。
图2 系统整体电路图设计
3.3.2 辅助电路
辅助电路可以用较简单的BUCK电路实现,但是对整个设计的效率影响相对于稳压芯片可能更大。常用的稳压芯片为78xx系列,UC3844为16V启动,可以选用7818,但是78xx系列芯片输入电压不能超过36V[6];LM317也是一款可稳压的电源类芯片,其输入电压不能超过40V,所以当从输入端采的电压为40~48V时,需要选用更高耐压值的芯片代替。辅助电路设计如图3所示。
图3 辅助电路设计
LM2576是一款常用的DC-DC降压型稳压芯片,其输出电流可达3A,外围元件简单,设计容易,具有很高的工作效率[7]。LM2576系列具有较大的调节范围,有输出电压为范围内固定值的,也有输出电压为范围内可调值的,带有后缀字母“Adj”的输出电压可调。该芯片的输入电压可以为低压也可以为高压,芯片后缀为“HV”,其输入电压可达40~60V,低压的输入电压为40V。为留出一定裕量,本设计选用输出电压可调的LM2576-Adj。
3.3.3 驱动电路
三极管具有开关和放大作用,三极管集电极电流受基极电流控制,Ic=βIb,如果放大倍数足够大,基极电流很小的变化会引起集电极电流很大的变化[8]。假设mos管寄生电容较大,当驱动信号到来时,mos管处于关断状态,UGS=0,UGD为负的输入电压,CGS充电,CGD放电,栅源极电压UGS逐渐升高。UGS到达阈值电压时有电流流过,CGD较大,放电时间较长,栅极驱动电流基本用于CGD放电,栅源电压增加缓慢,所以寄生电容影响开关速度,在高频电路中,需要加入驱动电路,其作用是放大电流,抵消寄生电容的作用。
本设计采用的驱动电路由两个三极管组成,三极管基极连接在一起,通过电阻连接芯片输出管脚,输出信号经Q3的放大作用驱动开关管,加快mos管启动;Q4集电极接地,当开关管关断时,寄生电容经Q4放电,关断速度加快[9-10]。本设计中Q3和Q4也称为对管,通常选用8050和8550,8050为PNP型三极管,8550为NPN型三极管。输入电压可以和芯片相同,所以接在芯片电源管脚。
选 择PC40材 料:Bs=0.39TBr=0.055TΔBm=0.2T
选 择EE40Ae=128mm2Aw=108Ap=1.3824cm4
取Dmax=0.43Vin=Vinmin
取Nm=Np=9
选 磁 芯 型 号T106-26μr=75Bs=1.4T Al=93nH/N2Lc=6.49
与实际参数计算略有不同,在变压器参数计算中,实物设计主要考虑磁芯选择、匝数和线径选择等,而在仿真过程中则要对变压器各相阻值与电压值稍作修改,用示波器和电压表电流表可对仿真结果进行分析,Matlab仿真如图4所示。输出电压为4.972V,输出电流为4.972A,设计的效率可达到85%以上,达到了设计要求。
图4 Matlab仿真图
本文设计的单管正激电路实现了输入为DC 40~48V,输出为5V/5A的功能,选用UC3844控制开关管占空比,对部分外围元件的选型也经过了严格的参数计算,在Matlab 仿真电路中,应用PID实现反馈功能,与实际电路原理一致,验证了设计的合理性。