DC/DC模块电源的设计案例

只看该作者 · 2012-10-20 23:35

DC /DC 模块电源是电子产品设计中广泛使用的二次电源，它将一次电源单一的输出电压进行二次变换，变成各种需要的电压，提供给芯片。由于模块体积小，所以功率密度要求高，同时工作环境较为恶劣，可靠性要求高；模块电源一般要求工作温度为- 20 ~55℃ , MTBF（平均无故障时间）要求在20万小时以上。
　　本文提出了一种基于UC3843芯片DC /DC 模块电源的实现方案，电路简洁，工作可靠，转换效率高。
　　1 UC3843功能及技术特性
　　UC3843是一种高性能固定频率电流模式控制器，专为直流至直流变换器低压应用而设计，设计人员只需采用少量外部元件就能获得性价比高的解决方案。
　　UC3843具有自动前馈补偿、锁存脉宽调制、欠压锁定、低压启动等特点，电流模式工作可到500kHz.器件提供8脚双列直插塑料封装和14脚塑料表面贴装封装（SO- 14）。
　　UC3843由振荡器、误差放大器、电流检测比较器、脉宽调制锁存器、参考稳压器等几部分组成，内部结构如图1所示，接口信号说明见表1.

表1 UC3843芯片管脚说明（双列直插封装）

2  DC /DC转换电路设计
　　2. 1  设计目标
　　设计目标为DC /DC 转换模块， 48V 输入， 5V 单路输出，额定功率为10W, 转换效率不低于75%.
　　2. 2  总体框图
　　转换模块由输入滤波电路、开关电路、输出滤波电路、电流检测电路、辅助电源、输出电压反馈电路和PWM 调制电路几部分组成，如图2所示。

　其中，开关电路、输入滤波电路与输出滤波电路为主工作电路， PWM 调制电路作为整个模块的控制核心，根据模块电源工作电流、输出电压反馈信号，输出控制信号，动态关断与导通开关管，实现对输出的实时控制。
　　2. 3  主工作电路设计
　　由于模块输出功率较小，所以开关电路采用单管反激电路设计。反激电路是由Buck Boost电路推演而得，特点是结构简洁，开关电路仅需四个器件：变压器、开关管、整流管和输出电容。采用一个变压器，可以实现多路输出。缺点是输出滤波电容上的电流脉动大，需要加大输出滤波电容，抑制纹波。具体电路原理如图3所示。

图3  主工作电路原理
　　开关电路由T2、VT1、VD2 和C3 构成，当开关管VT1开通时，变压器T2 原边电感存储能量，整流管VD2截止，输出能量由电容C3供给；当开关管VT1关断时，变压器上存储的能量通过副边电感经VD2向外输出，并给C3充电。通过调节VT1的开关占空比，可以调节输出电压的高低。
　　输入滤波电路由L1、C1 构成，主要功能是抑制模块的输入反灌电流，减小模块对输入电源的干扰。
　　为输出较小纹波，需要加大输出滤波电容，或选取ESR小的滤波电容，但这都会增加成本。在输出滤波电路中，采用一个π型滤波器，达到了减小纹波的效果。

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2. 4 电流检测电路。电流检测电路由T1、VD1和R2、R3构成，见图3。　　T1是电流互感器，通过VD1的整流，可以在R3得到与主变压器原边电流成一定比例的直流脉动电压，将这个脉动信号送给PWM 控制器，实现了原边电流检测。通过调整R2 和R3 的阻值，改变检测的比例关系，可以得到合适的电流检测信号。

图4 输出电压反馈电路

2. 7 PWM 调制电路　PWM 调制电路由电流型控制芯片UC3843 及其外围电路构成，见图5.R8和C10为RC 振荡器，控制主电路的工作频率和最大输出占空比； R6、R7 和C9为输出电压反馈调节器，

图5 PWM 调制电路

　　3 结论
　　本模块设计完成后，进行了性能测试，模块满载效率不低于80% , 输出纹波VP- P小于20mV （ 20MH z带宽） , 可靠性指标MTBF大于20万小时，具有过流保护和短路保护功能，达到了较高的设计水平，完全满足实际使用需求。