基于uc2843芯片的dcdc模塊電源設(shè)計(jì)

基于uc2843芯片的dcdc模塊電源設(shè)計(jì)

1電源、電壓變換特點(diǎn)需要可靠的模型電源來(lái)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電器的電機(jī)制動(dòng)器的電源。這所要求：（1）高效的蓄積量；（2）28.160v的輸出電壓范圍超過(guò)28.160v。（3）輸出密度高，24v和13a，體積要求為90.64和26mm3。（4）高可靠性，適用于沿海和其他惡劣環(huán)境。由于輸入電壓變化范圍很寬(1∶6),最低輸入與輸出電壓差值小(占空比達(dá)90%),且為了保證因變槳電機(jī)頻繁起停而導(dǎo)致負(fù)載突變時(shí)的電源穩(wěn)定,通常采用兩級(jí)變換,電壓輸入較低時(shí)先升壓后再進(jìn)行降壓,但采用兩級(jí)變換,必然減少了效率,增大了電源的體積,這與電源要求的高功率密度、高效率不符。為提高電源效率及可靠性,在超寬范圍輸入電壓的直流穩(wěn)壓源的設(shè)計(jì)中,采用高頻高效的單級(jí)Buck變換器及有效的控制方式滿足全輸入電壓及全負(fù)載范圍內(nèi)電源的穩(wěn)定。2橡膠換能器的制造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1電源模式控制方式bung3一般Buck電路中,較常使用的控制方式為電壓型和峰值電流型。在僅電壓環(huán)形成閉環(huán)控制的電壓型PWM控制方式中,由于LC濾波器中存在電感L,導(dǎo)致了180°相移和40dB/dec的增益衰減,導(dǎo)致電壓模式環(huán)路不易穩(wěn)定,特別是對(duì)于電源要求的寬范圍輸入電壓條件。而在輸出電感峰值電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的電流模式控制方式中,通過(guò)小信號(hào)分析,輸出電感可視為一個(gè)恒流源,輸出可視為一個(gè)電流源給并聯(lián)的電容和負(fù)載電阻供電,故僅造成90°相移和20dB/dec的增益衰減,使得誤差放大器的補(bǔ)償簡(jiǎn)化,適應(yīng)于該輸入電壓和負(fù)載大范圍變化的場(chǎng)合。電源采用峰值電流模式的控制方式,由峰值電流模式控制芯片UC2843構(gòu)成PWM控制電路。圖1示出Buck主電路及控制驅(qū)動(dòng)電路的原理圖。圖中,T1為檢測(cè)開(kāi)關(guān)管峰值電流的互感器,它將檢測(cè)的開(kāi)關(guān)管峰值電流信號(hào)比例縮小,濾波后送入U(xiǎn)C2843的電流檢測(cè)腳。此外,由于本電源的寬輸入電壓變化,需要占空比變化范圍為15%~90%,而峰值電流模式控制方式在占空比超過(guò)50%時(shí)會(huì)引起環(huán)路不穩(wěn)定,需通過(guò)VQ2,R5進(jìn)行斜坡補(bǔ)償。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的電流模式控制方式很好地滿足了電源的要求。2.2比較器的工作原理根據(jù)Buck電路的特點(diǎn),其功率管門(mén)極在導(dǎo)通后參考地的電壓為電源電壓,所以需要對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行處理。通常采用變壓器隔離方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng),但該方式不適合此處占空比變化范圍過(guò)寬的場(chǎng)合。如圖1所示,采用半橋自舉驅(qū)動(dòng)集成電路IR2110,利用其上橋臂的輸出,驅(qū)動(dòng)電流±2A,自舉電壓可達(dá)到500V,不僅較好地解決了懸浮驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題,而且可靠性高,成本低廉。此電源安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上,在變槳頻繁啟停及負(fù)載突變過(guò)程中,要求電源模塊安全工作,可靠性高,不能損壞。除常規(guī)的過(guò)溫保護(hù)、輸入過(guò)/欠壓保護(hù)、輸入反接保護(hù)(VD1)及輸入/輸出瞬態(tài)電壓防護(hù)(VD3,VD4)外,另加入打嗝式保護(hù)電路,使其可承受長(zhǎng)時(shí)間短路狀態(tài),且當(dāng)短路消失后自動(dòng)恢復(fù)工作。由于存在峰值電流內(nèi)環(huán),電源本身具有限流及短路保護(hù)的作用,當(dāng)負(fù)載短路時(shí),流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流迅速增大,經(jīng)過(guò)電流互感器采樣后,超過(guò)設(shè)定值時(shí),UC2842封鎖脈沖輸出,等待下一個(gè)周期時(shí)再次輸出脈沖。但在長(zhǎng)時(shí)間短路時(shí),每個(gè)周期都有較大的峰值電流脈沖經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管,開(kāi)關(guān)管損耗大,易引起雪崩效應(yīng)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管損壞,故此處利用比較器設(shè)計(jì)打嗝保護(hù)電路,如圖2所示。圖中電路檢測(cè)輸出電壓,當(dāng)小于額定值的1/10時(shí),即認(rèn)為電路發(fā)生短路,然后由可變門(mén)限的比較器構(gòu)成脈沖發(fā)生器,輸出低電平時(shí),UC2843的COMP腳拉低,電源關(guān)閉輸出。輸出高電平時(shí),電源正常輸出。輸出低電平的時(shí)間可由R7,R12,R13,R14,C4進(jìn)行確定。3輸入和輸出單元的設(shè)計(jì)3.1濾波電容的選擇輸出濾波元件不僅決定了電源的穩(wěn)定性,同時(shí)也是DC/DC變換器設(shè)計(jì)中關(guān)鍵部分。輸出電感L作為儲(chǔ)能和濾除紋波的元件需綜合考慮體積、電流脈動(dòng)大小來(lái)選擇,并防止飽和,其表達(dá)式為:式中:Uin為輸入電壓;Uo為輸出電壓;Ton為導(dǎo)通時(shí)間;di為電流脈動(dòng)量。濾波電容的選擇需滿足輸出紋波的要求。對(duì)于給定的電感電流紋波,在500kHz以下,輸出紋波由輸出濾波電容及其等效串聯(lián)電阻(ESR)確定。通常情況下,輸出電壓紋波主要由交流紋波電流與電容ESR的乘積決定。電感確定后即可得出紋波電流,再根據(jù)所需的紋波大小選擇電容,應(yīng)選擇高頻低阻的電解電容或低ESR貼片陶瓷電容。3.2icindms除電容的耐壓值要大于電源電容最大輸入電壓外,輸入電容的選擇還需要滿足所需的紋波電流,故紋波電流可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算得到:式中:ICin(rms)為輸入電容紋波電流有效值;Io(max)為輸出最大電流;D為占空比。由上式可知,最大紋波電流發(fā)生在D=0.5時(shí),此時(shí)紋波電流為輸出電流的1/2,于是可根據(jù)此值選擇電容?？筛鶕?jù)體積要求選擇電解電容、薄膜電容或是陶瓷電容。為減少Buck變換器的輸入電流紋波,從而減少對(duì)蓄電池的其他負(fù)載的影響,這里在輸入電容前加入一個(gè)約為幾微亨的小電感。3.3恒流源供電電路為了減少體積和提高可靠性,此處電源采用恒流源啟動(dòng)及利用輸出進(jìn)行自供電,如圖3所示。VQ1,VD1,VD3,VD4,VD6,R3,R4構(gòu)成恒流源,在電源啟動(dòng)及短路條件下,由恒流源供輔助電。當(dāng)電源正常時(shí),由輸出24V經(jīng)降壓后供電,同時(shí)切斷恒流源回路,減少損耗。4uds4電路按上述分析設(shè)計(jì)樣機(jī),開(kāi)關(guān)頻率為120kHz,選擇IRFB4227型主開(kāi)關(guān)管和MBR20100CT型續(xù)流二極管,輸出濾波電感為50μH。在額定負(fù)載24V/13A的條件下,當(dāng)輸入分別為160V和28V時(shí),測(cè)得開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓ugs及漏源極電壓