基于隔離反饋發(fā)生器的單端正激DC/DC變換器設(shè)計(jì)
單端正激變換器是電路比較簡單的一種變換器，也是中、小功率電源中較為常用的方式之一。電流型單端正激型電路具有高頻率工作條件下應(yīng)力低，相同規(guī)模的電源所用的元器件較少，因其為電流反饋式，因而具有逐脈沖的過流保護(hù)功能，電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。
目前，在單端型電路的隔離反饋方式上，常采用的是光電耦合器隔離的方法，隨著高端市場對(duì)DC/DC電源需求的加大，傳統(tǒng)的光耦隔離方式因其局限性并不能滿足相應(yīng)要求。而隔離反饋發(fā)生器具有可靠性高，抗輻照能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因而在高端電源設(shè)計(jì)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。
1 光電耦合器隔離及其應(yīng)用電路
光電耦合器（光耦）一般由三部分組成：光的發(fā)射部分、光的接收部分和信號(hào)放大部分。當(dāng)工作時(shí)，輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，使其發(fā)出一定波長的光，被光接收器接收后產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這一過程為電—光—電的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)了輸入、輸出隔離的目的。對(duì)于用于傳遞模擬信號(hào)的光電耦合器，它的發(fā)光器件為二極管，光接收器為光敏三極管。當(dāng)有電流通過發(fā)光二極管時(shí)，便形成了一個(gè)光源，該光源的大小與光照的強(qiáng)弱以及流過二極管的正向電流的大小成正比。由于光耦的輸入端和輸出端之間通過光信號(hào)來傳輸，因而兩部分之間在電氣上完全隔離，沒有電信號(hào)的反饋和干擾，所以性能比較穩(wěn)定，抗干擾能力也比較強(qiáng)。發(fā)光管和光敏管之間的耦合電容小、耐壓高，故共模抑制比很高。此外，光耦輸入電阻小，對(duì)高內(nèi)阻源的噪聲相當(dāng)于被短接。因此，由光電耦合器構(gòu)成的模擬信號(hào)隔離電路具有良好的電氣性能。
作為組成開關(guān)電源隔離反饋回路部分的光耦，其具體工作原理如圖1所示。
圖1 光耦隔離反饋電源原理圖
光電耦合器下方接有電壓基準(zhǔn)ICTL431。由其提供一個(gè)基準(zhǔn)電壓信號(hào)，當(dāng)＋Vout經(jīng)分壓后與基準(zhǔn)電壓（2.5V）信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)分壓電壓為高于基準(zhǔn)電壓（2.5V）時(shí)，則光電二極管導(dǎo)通流過電流，光耦輸出端輸出電信號(hào)，傳入PWM進(jìn)行脈寬調(diào)節(jié)；同理，當(dāng)分壓電壓低于基準(zhǔn)電壓（2.5V）時(shí)，光電二極管不導(dǎo)通，電流近似為0，光耦輸出端相當(dāng)于斷開狀態(tài)，此時(shí)PWM具有最大占空比。
綜上所述，采用光耦隔離的主要優(yōu)點(diǎn)有：
1）信號(hào)單向傳輸，輸入輸出完全實(shí)現(xiàn)電氣隔離；
2）抗干擾能力較強(qiáng)，在一定時(shí)間范圍內(nèi)工作穩(wěn)定；
3）隔離耐壓高；
4）靈敏度高，傳輸效率高；
5）與TL431一起構(gòu)成的采樣、比較、隔離反饋電路形式簡單。
其主要缺點(diǎn)有：
1）光耦在電路實(shí)際工作當(dāng)中，存在耦合效果逐漸衰減的現(xiàn)象，隨著工作時(shí)間的增加，會(huì)導(dǎo)致電路的反饋效果下降；
2）由于光耦自身結(jié)構(gòu)以及工作機(jī)理，使其抗輻照能力很差，在某些特定條件下可靠性較差。
2 隔離反饋發(fā)生器UC1901
圖2為采用隔離反饋發(fā)生器的DC/DC電源模塊的原理圖，其主要是通過從輸出端采集電壓信號(hào)，傳入相應(yīng)的隔離反饋發(fā)生器中進(jìn)行電壓信號(hào)的比較，然后經(jīng)過隔離變壓器耦合后將電信號(hào)傳入PWM中進(jìn)行脈寬調(diào)節(jié)，從而起到電路調(diào)壓穩(wěn)壓的作用。它的工作方式為調(diào)幅—隔離—變壓器傳輸—解調(diào)的過程。這個(gè)電路的核心器件是隔離反饋發(fā)生器，在本設(shè)計(jì)中采用的是UC1901。
圖2 隔離反饋發(fā)生器電源原理圖
UC1901隔離反饋發(fā)生器是針對(duì)解決電壓隔離反饋的方式中，閉環(huán)反饋控制環(huán)路所出現(xiàn)的問題而設(shè)計(jì)的，其具有幅值調(diào)制精密參考電路，誤差放大電路等電路，從而簡化了隔離式（即輸入回路控制）開關(guān)集成穩(wěn)壓電源的閉環(huán)反饋回路部分。由于電路采用調(diào)幅輸出，誤差信號(hào)被耦合在高壓隔離帶兩端，所以使電路的穩(wěn)定性及可重復(fù)的閉環(huán)特性都得到了改善。作為光電耦合器可靠的代替品，UC1901通過輸出電路的參考電路以及反饋信號(hào)的耦合通道，利用輸入電路控制的優(yōu)勢(shì)，為電路提供很好的隔離耐壓特性、調(diào)整特性及瞬態(tài)特性。
UC1901工作電壓范圍為4.5～40V，內(nèi)部調(diào)幅信號(hào)的載波頻率最高可達(dá)5MHz，非常適用于開關(guān)電源的隔離反饋電路。
14腳封裝型UC1901中，腳1（CT）外接電容；腳8（RT）外接電阻，這兩個(gè)端主要用來確定UC1901芯片的載波工作頻率；腳2（EXTCLK）為外部時(shí)鐘端，可實(shí)現(xiàn)與外部電路的工作同步，同步信號(hào)可以是系統(tǒng)時(shí)鐘或開關(guān)電源的工作頻率；腳4和腳5分別是DRIVERB和DRIVERA，為UC1901的輸出端，與隔離變壓器相連；腳9（VREF）為基準(zhǔn)電壓輸出端，可向外提供精度為1％的1.5V電壓基準(zhǔn)；腳10（NI）為內(nèi)部誤差運(yùn)算放大器同相輸入端；腳11（INV）為比較器反相輸入端；腳12（COMP）為比較器輸出端，用于運(yùn)算放大器的補(bǔ)償；腳13（STATUS）為環(huán)路狀態(tài)監(jiān)控端，作用是當(dāng)外部被檢測的誤差電壓超過比較器正負(fù)輸入差值的±10％范圍，則會(huì)鎖定UC1901；腳14VIN為UC1901工作電壓輸入端；腳3及腳6為空腳。
3 應(yīng)用UC1901的單端正激變換器
3 應(yīng)用UC1901的單端正激變換器
以UC1843為PWM控制器，UC1901為隔離反饋信號(hào)發(fā)生器，設(shè)計(jì)了一個(gè)輸出電壓為12V，功率為15W的開關(guān)電源．
由于UC1843為通用的PWM控制器，大家十分熟悉，此處不再贅述。
即接在電源輸出端。電源工作過程中，從輸出端電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)電阻分壓后接入U(xiǎn)C1901反饋端。采樣電壓將與1.5V參考電壓基準(zhǔn)進(jìn)行比較后由誤差電壓經(jīng)高增益誤差放大器放大，經(jīng)UC1901的補(bǔ)償輸出端放大的誤差信號(hào)被反相送至調(diào)制器。調(diào)制器的另一端接振蕩器，將反相的誤差放大信號(hào)與振蕩器信號(hào)混合后，調(diào)制器將產(chǎn)生一個(gè)幅值與誤差信號(hào)成比例的方波，其頻率與振蕩器輸入信號(hào)頻率相同。方波信號(hào)經(jīng)緩沖后被送進(jìn)耦合變壓器。耦合變壓器的次級(jí)接有一個(gè)DRC整流濾波電路，從而形成幅值解調(diào)器，并將一定幅值的反饋電壓信號(hào)傳入電路輸入回路的PWM控制電路，從而進(jìn)行脈寬調(diào)節(jié)，達(dá)到調(diào)整輸出電壓的目的。
對(duì)反饋回路工作狀態(tài)有較大影響的因素主要是其反饋控制電路的電壓信號(hào)。而對(duì)于變壓器隔離反饋的方式而言，通過耦合隔離變壓器的信號(hào)增益是指其本身的匝數(shù)比。通常情況下，可通過對(duì)隔離變壓器的匝數(shù)調(diào)節(jié)來改變反饋電壓信號(hào)的幅值大小。UC1901可以產(chǎn)生1.6V左右幅值的方波，如果檢測器的輸出大于1V（包括二極管0.6V的壓降），那么要求耦合隔離變壓器線圈的匝比大于1：1。
此外，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，UC1901會(huì)在環(huán)境溫度變化較大的時(shí)候產(chǎn)生“溫漂”問題。分析原因可知，UC1901的輸出信號(hào)幅值還受到溫度變化的影響，圖5為UC1901輸出幅值與溫度的變化曲線。
隨著溫度的升高，UC1901的輸出幅值不斷減小，特別是溫度大于105℃以后其輸出信號(hào)的幅值快速下降，由于UC1901的輸出信號(hào)幅值的大小直接影響到反饋回路的工作狀態(tài)，所以幅值較大的變化會(huì)直接引起環(huán)路的失控現(xiàn)象，從而影響電壓的穩(wěn)定。
針對(duì)這一問題，可以通過在UC1901輸出端進(jìn)行一些優(yōu)化設(shè)計(jì)處理，將其輸出端與隔離變壓器之間加入適當(dāng)元器件，可以起到調(diào)節(jié)反饋電壓信號(hào)幅值的作用，較大增強(qiáng)了UC1901輸出驅(qū)動(dòng)能力，從而解決了在高溫條件下UC1901因輸出信號(hào)幅值下降而導(dǎo)致的環(huán)路失控問題，提高了整體電路的穩(wěn)定性。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)語
實(shí)驗(yàn)電路實(shí)際測試數(shù)據(jù)如表1所列。
表1 實(shí)驗(yàn)電路實(shí)際測試數(shù)據(jù)
| 名稱 | 參數(shù)指標(biāo) | 單位 |
|---|---|---|
| 輸入電壓范圍 | 16－40 | V |
| 輸出電壓 | 12.0 | V |
| 輸出功率 | 15 | W |
| 效率 | 83 | ％ |
| 電壓調(diào)整率 | <1％ | ％ |
| 負(fù)載調(diào)整率 | <1％ | ％ |
| 輸出電壓紋波 | <100 | mV |
| 頻率 | 380 | kHz |
| 工作溫度范圍 | －55～＋105 | ℃ |
| 體積 | 38×25×12.5 | mm3 |
本文通過對(duì)單端正激型DC/DC電源隔離反饋電路特點(diǎn)的分析，總結(jié)了光耦隔離反饋電路和隔離反饋發(fā)生器電路的優(yōu)缺點(diǎn)，詳細(xì)介紹了UC1901隔離反饋發(fā)生器的應(yīng)用，并給出了基于UC1901隔離反饋發(fā)生器方式的電路設(shè)計(jì)方案。此方案對(duì)于我國高端（要求高可靠、長壽命、抗輻照）電源具有極強(qiáng)的實(shí)用性和可借鑒性。
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