開關穩(wěn)壓電源系統(tǒng)設計方案

摘要： 文章構建了基于Boost 型變換器的DC/DC 變換器，系統(tǒng)以專用芯片UC3842 作為控制核心，輔以Atmega128 單片機穩(wěn)定輸出電壓。利用UC3842 自身的電壓電流環(huán)反饋，加上輸出電壓均值環(huán)設計成輸出電壓穩(wěn)定可調的DC/DC 變換電路。本系統(tǒng)還采用了模擬PWM 技術、在線保護技術、人機交互技術。實際測試表明該系統(tǒng)各項指標均達到或超過設計要求。

　　隨著電力電子技術的發(fā)展，電源裝置大量出現(xiàn)在生產生活的各個領域，其電壓電流的穩(wěn)定性、電壓調整率、負荷調整率、變換器的效率等因素將直接影響到用電及通信設備的正常運行，嚴重時還將影響到設備的安全性。因此，如何改善上述各項指標，成為電源裝置設計時需要考慮的重要因素。本文介紹一種行之有效的開關穩(wěn)壓電源的系統(tǒng)設計方案。

　　1 方案論證

　　1. 1 DC-DC 變換器方案選取

　　隔離變壓器輸出工頻電壓有效值為18 ± 3 V，經橋式整流濾波后輸出直流電壓約為18 ～ 26 V。要求開關電源的輸出電壓范圍在30 ～ 36 V 之間穩(wěn)定可調，單端反激式和Boost 直接變換式都可以滿足要求。但是，考慮到單端反激式開關電源結構中的脈沖變壓器在短時間內難以制作調整好，并且其制作工藝和選材對系統(tǒng)的效率影響很大，因此本設計制作選用Boost電路作為功率變換器主電路，如圖1 所示。

圖1 功率變換器主電路

　　1. 2 控制方案選取

　　可用于Boost 變換器的控制方案較多，典型的有采用單片機直接控制或者用模擬控制電路控制等。

　　Boost 變換器是一個具有低阻尼的二階系統(tǒng)，采用單片機的電壓單環(huán)控制的結構由于系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和數(shù)字算法的延遲，使得控制環(huán)的低頻增益不能太大，影響輸出電壓的控制精度； 用運算放大器等構成模擬控制電路，可以采用電壓電流雙環(huán)控制結構，有效地克服變換器的低阻尼特性并使輸出電壓的控制精度提高，但包括PWM 調制器、脈沖放大驅動電路等在內的模擬控制電路結構復雜、可靠性不高。

　　鑒于單端反激式開關電源與Boost 變換器具有相同的工作原理，其專用集成控制芯片UC3842 可以移植到Boost 變換器的控制上來，所以本設計制作的控制部分采用集成控制芯片UC3842，以簡化控制電路設計并提高系統(tǒng)的可靠性，UC3842 控制電路圖如圖2 所示。

圖2 主電路及UC3842 控制電路圖

　　以UC3842 為基礎構成的電壓電流雙環(huán)控制的Boost 變換器當脈沖占空比大于0. 5 時，存在不穩(wěn)定現(xiàn)象。為使系統(tǒng)穩(wěn)定，要么降低控制環(huán)的低頻增益，要么采取斜坡補償?shù)霓k法，前者使輸出電壓的控制精度降低，后者實現(xiàn)上要求比較嚴格。鑒于系統(tǒng)已設置單片機以滿足監(jiān)測顯示功能的要求，可以利用單片機對Boost變換器控制系統(tǒng)進行校正，在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下可以使輸出電壓的控制精度大幅提高，而技術實現(xiàn)上切實可行，方案如圖3 所示。

圖3 控制方案

1. 3 提高效率的方法及實現(xiàn)方案

　　影響系統(tǒng)效率的主要因素有： a. 功率變換器開關器件的開關損耗； b. 感性元件的鐵損和銅損； c. 控制電路的損耗等。其中，開關器件的開關損耗是影響系統(tǒng)效率的最主要方面，因此，除主電路結構盡量簡化外，選用開通、關斷比較迅速、通態(tài)電阻小的功率MOS 管作為主開關器件，Boost 二極管也選用超快恢復二極管。感性元件主要是Boost 電感，選取鐵損比較小的鐵氧體為磁芯，盡量選用截面比較粗的漆包線以降低損耗?？刂齐娐返墓ぷ麟娫床扇煞N方式來降低損耗： 主控制芯片UC3842 直接用主電路的整流濾波電路供電，單片機和少量外圍電路用自制的開關電源供電。