基于UC3901的磁隔离高压电源设计

    引言

    为了提高高压电源系统的可靠性，减小高压电路对低压电路的影响，高压与低压电路应当相互隔离。常用的隔离方法是：功率主电路采用变压器隔离，反馈控制电路采用光耦隔离。这样的隔离设计方法简单可靠，应用范围广。但在高可靠的应用场合(如抗辐照)或隔离要求较高(如2500 V以上)的场合，光耦隔离就显得力不从心了，这时的磁反馈隔离是一种比较合适的控制电路隔离方法，本文将介绍采用UC3901控制芯片的磁反馈、小型化高压电源模块的设计方法。

    1 UC3901控制器的功能特点

    UC3901是TI公司生产的隔离反馈发生器。利用UC3901和隔离变压器以及整流滤波电路一起，可以很方便的实现DC／DC电源中控制电路的磁隔离反馈功能。UC3901内部主要有电压基准、放大器电路、振荡电路、幅度调制电路、输出驱动电路。图1所示是UC390l的内部结构图。 UC390l的工作电压范围可以达到4．5 V～40 V，在工作电压低于4．5 V时，器件的输出是闭锁的，这样可以防止出现误操作。该器件的电压基准的精度可以达到l％，可以直接作为放大器的基准信号。由于该芯片自带振荡电路，所以，工作时无须外加振荡电路就可以实现调幅信号的输出，该自带振荡电路在需要时还可以方便地与外部电路的振荡信号实现同步，从而满足系统中的特殊要求。调幅电路的输出端具有15 mA的电流输出能力，吸电流能力为700μA，如果要扩展吸电流能力，还可以外接扩流电阻。

    2 磁隔离反馈式高压电源的设计要求

    本文给出采用UC3901磁隔离反馈控制器进行小型高压电源的设计方法，该电源的设计要求如下：输入电压(V)：20～32；额定电压(V)：22；输出电压(V)：300±10；输出电流(mA)≤20；纹波(mV)：≤1500；效率(η)：≥75％；电压调整度(V)：≤2；负载调整度(V)：≤5；输出电压过冲≤10％；输出电压延迟≤30ms。

    3 电路设计

    图2所示是磁隔离反馈高压电源的原理框图，输入滤波电路采用的是LC无源滤波电路，功率变换电路采用的是推挽变换电路和功率变压器隔离设计，输出整流采用的是倍压整流电路，输出滤波采用的是电容滤波，必要时可以加入LC二次滤波，磁隔离反馈控制电路采用了磁隔离控制电路(UC3901)、磁隔离变压器和整流滤波电路组成，PWM推挽控制电路采用UC3525进行设计。

    3．1 PWM电路设计

    图3所示是本系统的PWM控制电路。这个高压电源的PWM主控芯片采用推挽控制芯片UC3525，该芯片的1脚接反馈控制信号，内部是比较放大器的反向输入端，2脚内部是比较放大器的正向输入端，外部则通过电阻R19、R4设置放大器的基准比较电压，该电压的值应该小于反馈控制信号的最大值，由于本设计中的磁隔离反馈变压器的匝比是1：1，反馈控制信号的最大值是2 V，所以2脚的电压设置为1．8 V。C4、R5分别是振荡电容和振荡电阻，它们决定了UC3525的工作频率，R15、C10是比较放大器的反馈网络，11脚和14脚是PWM信号输出端，通过两个电阻R5、R7分别接到主电路的两个VMOS管的栅极，R5、R7的值可以是几个欧姆，通常用来减小栅极振荡。

    3．2 磁反馈电路设计

    磁反馈隔离电路可由磁反馈控制器UC3901、隔离变压器T2和信号整流滤波电路(V2、C5、R9)组成，图4所示是其电路图。其中，Vref的值是1．5 v，所以R13、R14的取值应该满足：

    UC390l的10脚是内部放大器的同向输入端，可直接接1．5 V基准信号，11脚是内部放大器的反向输入端，接输出电压的反馈信号，C12、R15是放大器的反馈网络，可通过试验确定参数，C13、R16是振荡电容和电阻，其振荡频率为：

    3．4 整流电路

    输出整流电路采用的是倍压整流方式。在高压小功率输出场合，这是一种比较实用的电路形式，这样可以降低变压器的匝比，减小整流管的耐压要求，图6所示是其具体电路。图中，电容C7、C8是输出滤波电容，耐压要求是：V>V0，V7、V8是输出整流管，耐压要求是V>V0+nV-inmax。

    4 结束语

    本文给出了采用UC3901设计磁反馈隔离DC／DC的方法，采用以上电路设计的高压电源具有良好的静态和动态性能，该方法的磁反馈原理是将反馈控制信号叠加在交流脉冲信号上，然后通过隔离变压器将交流信号传递到原边，再利用幅度解调电路将信号幅度取出，以用来控制PWM输出的脉冲宽度，实现闭环稳压的功能。这个原理也是采用其他方法实现磁反馈隔离的设计思想。■