基于UC1845的多路输出双管反激开关电源方案

最新更新时间:2014-06-04来源: 21IC关键字:双管反激  开关电源  电源管理 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章
引言

随着器件、工艺水平的飞速发展,开关型功率变换器已发展成高效、轻型的直流电源,空间飞行器(星、箭、船等)DC/DC变换器(又称二次电源)也采用该项技术。

主要原因是卫星电子设备对电源的效率、重量、体积和可靠性的要求越来越高,而传统的线性电源方案几乎无法满足飞行器系统的需要。在各种类型的DC/DC变换器中,PWM型DC/DC变换器因结构种类多,技术领先,便于实现,已经得到广泛应用。

在航天应用领域开关电源的多种拓扑中,可用于100V高压母线输入多路输出的开关电源,大多数采用的是两级式变换器,如Buck+推挽两级式变换器,先通过Buck电路将母线电压降压,这样母线电压要经过二次调整,使电压调整率降低;再从器件数量上来说,两级拓扑,功率开关管至少需要3个,电源体积大且功率密度低,从整体分析不是很理想;而对于可以承受高压输入的双管正激开关电源来说,电路结构相对简单,但其不适合用于多路输出的场合,输出交叉调整率较低,稳定度差;适合用于中小功率多路输出DC-DC变换器的电路拓扑还有是单管反激电路,其电路结构简单,成本低,但在高输入电压场合中单管反激电路主开关管的电压应力非常高,选用200V耐压的MOSFET管根本无法满足Ⅰ级降额的要求,如果选用更高耐压的MOSFET管,由于其导通电阻更高,势必影响电源的转换效率,同时还可能带来真空环境下的低气压放电问题。

因此为了克服以上所提到的问题,本文设计了一种星上用基于UC1845的多路输出双管反激开关电源,很适合应用于高压100V母线输入、多路输出场合。对于双管反激开关电源,首先,其电路拓扑简单,输入输出电气隔离升/降压范围广,具有输出多路负载自动均衡等优点;其次,由于航天电源对可靠性的要求,所有器件必须满足一级降额标准,在双管反激变换电路中,当功率管关断时,变压器漏感电流可通过续流二极管反馈给电源同时将开关管两端的电压箝位在电源电压,因此功率管所承受的电压应力和输入电压相等,使选管的范围扩大,可靠性提高;再次,双管反激开关电源电路漏感能量可以回馈到输入侧,无须增加任何吸收电路,因而转换效率也比单管反激电路高。因此将其运用于航天器高压输入多路输出场合,优势很大,具有实际的工程应用价值。

1、系统设计图

系统设计框图如图1所示。


图1 系统设计框图

2、双管反激拓扑结构

双管反激拓扑结构如图2所示。


图2 双管反激变换器的主拓扑

如图2所示,VT1和VT2分别串接于变压器的顶端和底端。两个开关管同时导通和关断,当它们导通时,所有初级和次级的同名端为正,此时次级VD3反偏,次级无电流流通,初级绕组储存能量;当它们关断时,存储于励磁电感上的电流使所有绕组电压极性反向,VD3正偏,励磁电感中储存的能量被传输到负载,而此时LP同名端? 
引言

随着器件、工艺水平的飞速发展,开关型功率变换器已发展成高效、轻型的直流电源,空间飞行器(星、箭、船等)DC/DC变换器(又称二次电源)也采用该项技术。

主要原因是卫星电子设备对电源的效率、重量、体积和可靠性的要求越来越高,而传统的线性电源方案几乎无法满足飞行器系统的需要。在各种类型的DC/DC变换器中,PWM型DC/DC变换器因结构种类多,技术领先,便于实现,已经得到广泛应用。

在航天应用领域开关电源的多种拓扑中,可用于100V高压母线输入多路输出的开关电源,大多数采用的是两级式变换器,如Buck+推挽两级式变换器,先通过Buck电路将母线电压降压,这样母线电压要经过二次调整,使电压调整率降低;再从器件数量上来说,两级拓扑,功率开关管至少需要3个,电源体积大且功率密度低,从整体分析不是很理想;而对于可以承受高压输入的双管正激开关电源来说,电路结构相对简单,但其不适合用于多路输出的场合,输出交叉调整率较低,稳定度差;适合用于中小功率多路输出DC-DC变换器的电路拓扑还有是单管反激电路,其电路结构简单,成本低,但在高输入电压场合中单管反激电路主开关管的电压应力非常高,选用200V耐压的MOSFET管根本无法满足Ⅰ级降额的要求,如果选用更高耐压的MOSFET管,由于其导通电阻更高,势必影响电源的转换效率,同时还可能带来真空环境下的低气压放电问题。

因此为了克服以上所提到的问题,本文设计了一种星上用基于UC1845的多路输出双管反激开关电源,很适合应用于高压100V母线输入、多路输出场合。对于双管反激开关电源,首先,其电路拓扑简单,输入输出电气隔离升/降压范围广,具有输出多路负载自动均衡等优点;其次,由于航天电源对可靠性的要求,所有器件必须满足一级降额标准,在双管反激变换电路中,当功率管关断时,变压器漏感电流可通过续流二极管反馈给电源同时将开关管两端的电压箝位在电源电压,因此功率管所承受的电压应力和输入电压相等,使选管的范围扩大,可靠性提高;再次,双管反激开关电源电路漏感能量可以回馈到输入侧,无须增加任何吸收电路,因而转换效率也比单管反激电路高。因此将其运用于航天器高压输入多路输出场合,优势很大,具有实际的工程应用价值。

1、系统设计图

系统设计框图如图1所示。


图1 系统设计框图

2、双管反激拓扑结构

双管反激拓扑结构如图2所示。


图2 双管反激变换器的主拓扑

如图2所示,VT1和VT2分别串接于变压器的顶端和底端。两个开关管同时导通和关断,当它们导通时,所有初级和次级的同名端为正,此时次级VD3反偏,次级无电流流通,初级绕组储存能量;当它们关断时,存储于励磁电感上的电流使所有绕组电压极性反向,VD3正偏,励磁电感中储存的能量被传输到负载,而此时LP同名端? 
位被二极管VD2钳位至地,LP异名端电位被二极管VD1钳位至电源电压U1.所以,VT1的源极电压不会超过U1,VT2的漏极电压也不会超过U1.漏感尖峰被钳位,使任一开关管的最大电压应力都不会超过最大直流输入电压。


双管反激变换器还有一个显着的优点是没有漏感能量消耗。开关管导通时,存储于漏感中的所有能量不是消耗于电阻元件或功率开关管内,而是在开关管关断时通过VT1和VT2回馈给U1.漏感电流从LP的异名端流出,经VD1流入U1的正极,然后从其负极流出,经VD2返回LP的同名端,使漏感能量能回馈到输入侧,提高了整机的转换效率。

在航天电源中,对于高压100V母线输入电源,双管反激开关电源便显示出极大的优势。

3、UC1845控制电路

UC1845是由TexasInstruments公司生产的电流控制型PWM控制器,该芯片电路开关频率可调节,具有电流反馈和电压反馈双环控制的特点,电压调整率和负载调整率高。其内部功能模块框图如图3所示。图3中,UC1845主要包括:

5.0V基准电压源,高增益的误差放大器,电流比较器,RS触发器和欠压锁定电源电路。具有8脚封装的UC1845芯片各引脚功能如下:脚l为误差放大器输出,用于环路补偿;脚2是误差放大器的反相输入,通常通过一个电阻分压器连至开关电源输出,起电压反馈作用,调整输出的占空比,从而稳定输出电压;脚3为电流取样引脚,脉宽调制器使用此信息终止输出开关的导通,保护开关管,避免过流损坏;脚4用于定时,通过时间电阻RT,连接至参考输出引脚8以及时间电容CT连接至地,使振荡器频率和最大输出占空比可调,振荡频率为f=1.72(RTCT);脚5是控制电路和电源的公共地;脚6是输出驱动开关管的方波引脚。为图腾柱式输出,可直接驱动功率管MOSFET的栅极;脚7是控制集成电路的正电源(VCC)启动电压为8.4V,最大输出电流可以达到1A,适合驱动MOSFET以及适用于中小功率的DC/DC开关电源;脚8是内部基准电压源产生5.0V基准电压,作为UC1845内部电源,经衰减得2.5V电压作为比较放大器基准,并可作为向外电路输出5V/50mA的电源。UC1845还包括过压、欠压保护电路,当供电电源电压低于7.6V时,芯片停止工作。

UC1845具有很高的工作温度范围,可以在-65~150℃的范围内稳定的工作,可满足航天应用。

4、主体电路设计

主体电路以双管反激电路为总的系统框架,用UC1845芯片和相应的外围电路构成PWM控制器,反馈电路采用了磁隔离反馈,通过一个反馈控制量实现多路输出,在输出端配合应用低压差三端稳压器,可以提高各路输出负载稳定度。

4.1反馈控制电路设计

在常用的隔离反馈技术中,航天方面选用磁反馈较光耦反馈要更为可靠和稳定。相对于磁反馈而言,光耦反馈虽然更能达到所需的带宽,且电路简单、元件少,但在高温下光耦的传输比(CTR)会变小,会导致运放饱和,使输出电压的反馈控制失效。磁反馈比光耦反馈寿命长,受温度影响小。抗辐照能力强,故在航天方面选用磁反馈较光耦反馈要更为可靠和稳定。


图3 UC1845内部结构框图 本电路中控制电路围绕脉宽调制器UC1845进行设计,采用满足航天应用的磁隔离反馈技术。电路电压采样不是直接从输出端采样而是采用了磁隔离反馈技术。这种设计可以不借助启动隔离电路而实现离线式输出,线路简单,但带来的缺点是如果输出端不使用低压差三端稳压器负载调整率做不到很高,可以通过对变压器的设计和对变压器原边电感的计算使其工作于临界连续模式,可对输出电压负载调整率有一定改善;电流环采样信号与自持电压采样反馈信号和基准电压信号进行比较,得到误差控制信号进行比较得到PWM控制信? 
构成了电流型控制双环控制系统对开关功率管进行开关控制,实现闭环反馈控制。


UC1845启动电压在电路每次启动时是通过启动辅助供电电路降压启动,将PWM电路的启动工作电压稳定在10~12V范围内,使PWM电路安全可靠地启动并工作;在电源模块正常工作后,由于双管串联反激电路主变压器用于给PWM供电的自持绕组输出电压比降压启动输出电压略高,使得整流二极管被反向截止,该电路无输出功率,而PWM电路通过主变压器自持绕组输出电压长期供电,这样降低了电路功耗。

4.2双管反激式开关电源变压器设计

此双管反激式变压器的绕制采用“三明治”式绕法,如图4所示,即初级绕组先绕一半,再绕次级绕组,绕后再将初级绕组剩余的匝数绕完,将次级绕组包裹在里面,这样漏感最小。且使输出绕组和自持绕组并绕以实现最佳耦合效果。


图4 变压器绕制示意图

反激式开关电源变压器不同于其他双极型变压器,能量不仅要传递,还要在变压器电感中储存,并实现隔离作用,它实际作为一个变压器-扼流圈发挥作用。因此变压器设计也不同于其他电路,初级绕组电感值直接影响电路中的电压、电流波形。

关键参数设计:

由已知条件计算出总输出功率,确定磁芯截面积S.

和磁芯工作磁感应强度ΔB,选择合适的磁芯。

初级线圈的峰值电流:

式中,N1是最小的初级匝数;Vmin是最大的初级电流电压(单位:V);TON是开关管Q1的最大导通时间(单位:

μs);B是AC磁通密度变化的峰-峰值(单位:T),铁氧体典型值为200mT;Ae为磁芯中心柱的有效面积(单位:


5、实验结果

本文设计的适用于航天器用宽输入电压范围的双管串联反激、磁隔离反馈、高稳定三路输出DC-DC变换器,电源输入母线电压范围为60~120V(标称:100V),输出电压为5V/0.8A、±12V/0.3A,额定输出功率为11.2W,典型效率为75%以上,输出端使用低压差三端稳压器的情况下,输出电压负载稳定度优于±1%.

5.1开关电源输出实验结果

为了检验该开关电源的性能,对上述应用电路进行了性能测试。开关电源的电压调整率、负载调整率、纹波和效率如表l所示(表中UPP为电压峰峰值)。

从实验结果可知,在宽电压输入变化 
范围内输出电压稳定。 5.2电流采样环波形

电流环波形如图5所示。


图5 电流环波形

5.3主开关管漏-源波形

主开关管漏-源波形如图6所示。


图6 主开关管漏-源波形

6、结语

实验证明本文所设计的基于UC1845多路输出双管反激开关电源开关电源具有良好的工作性能,输出纹波小,反馈环节易于调整,保护动作迅速可靠。符合航天电源可靠性要求,特别适用于中小功率高压母线输入多路输出场合。

关键字:双管反激  开关电源  电源管理 编辑:探路者 引用地址:基于UC1845的多路输出双管反激开关电源方案

上一篇:一种掉电后备电源的设计方案
下一篇:让你有个初步了解 详解开关电源的分类

推荐阅读最新更新时间:2023-10-12 22:40

无源无损软开关功率因数校正电路的研制
1 引言 在开关电源中引入功率因数校正PFC(Power FactorCorrection)技术,一方面使电源输入电流与输入电压波形同相,即使功率因数趋于1;另一方面使输入电流为正弦波,即使总谐波畸变值尽量小。目前工程应用中,传统有源功率因数校正电路主要有硬开关Boost校正、有源软开关校正、无源无损软开关校正以及新型无桥模式校正。其中,无源无损软开关功率因数校正电路所用元器件数量少,电路结构简单,电路工作稳定性好,开关管的电流应力小,效率较高,控制电路简单,成本较低。所以本设计采用无源无损软开关功率因数校正电路,图1为其电路原理图。   2 基于无源无损软开关PFC功率级电路设计 功率级电路采用无源无损软开关功率因数校正
[电源管理]
无源无损软开关功率因数校正电路的研制
基于电流型PWM集成控制器UC3842/3843的隔离单端反激开关电源
引言 ---   开关电源 以其高效率、小体积等优点获得了广泛应用。传统的 开关电源 普遍采用电压型脉宽调制(PWM)技术,而近年电流型PWM技术得到了飞速发展。相比电压型PWM,电流型PWM具有更好的电压调整率和负载调整率,系统的稳定性和动态特性也得以明显改善,特别是其内在的限流能力和并联均流能力使控制电路变得简单可靠。 ---   电流型PWM集成控制器已经产品化,极大推动了小功率 开关电源的 发展和应用,电流型PWM控制小功率电源已经取代电压型PWM控制小功率电源。Unitrode公司推出的UC3842系列控制芯片是电流型PWM控制器的典型代表。 DC/DC转换器 --- 转换器是 开关电源
[电源管理]
锂离子电池太阳能充电器设计技巧
最近几年,使用电池供电的小型设备发展迅速,例如:平板电脑、掌上游戏机、视频播放器、数字相框等。一般而言,这些设备都使用可再充锂离子 (Li-Ion) 电池作为电源。一些常见的充电解决方案包括墙上适配器类充电器和通用串行总线 (USB) 类充电器。尽管这些充电器解决方案是为锂离子电池充电的一种低成本的解决方案,但是这些充电器也都存在一个共同的缺点:依靠主电源才能工作运行。这种对主电源的依赖性增加了用户的电费开销,同时也增加了温室气体排放。而且由于对主电源有依赖性,这些充电解决方案的便携性也大打折扣。要想以一种有益环境的方式来延长电池使用时间,利用太阳能板收集自然光能量的太阳能充电器或许是一种理想的方案。太阳能充电器的另一个好处是它提
[电源管理]
锂离子电池太阳能充电器设计技巧
设计开关电源必须熟知的各种元器件
设计 开关电源 并不是如想象中那么简单,特别是对刚接触开关电源研发的童鞋来说,他的外围电路就很负责,其中使用的元器件种类繁多,性能各异。要想设计出性能高的 开关电源 就必须弄懂弄通开关电源中各元器件的类型及主要功能。 1、 电容器:   1. 滤波电容 构成输入滤波器、输出滤波器等。   2. 耦合电容 亦称隔直电容,其作用时隔断直流信号,只让交流信号通过。   3. 退藕电容 例如电源退藕电容,可防止产生自激振荡。   4. 软启动电容 构成软启动电路,在软启动过程中使输出电压和输出电流缓慢地建立起来。   5. 补偿电容 构造RC型频率补偿网络。 2、 电感器:   1. 滤波电感 构
[电源管理]
意法半导体(ST)推出下一代车门区控制器
中国,2017年4月11日 —— 意法半导体进一步提高车门区控制器的技术水平,推出单片集成电源管理和应急故障保护电路的车门区控制器产品家族。在过去,实现这两项功能需要使用外部元器件。 新产品L99DZ100G/GP前门区控制器和L99DZ120后门区控制器能够节省空间,同时提升可靠性和能效。控制器软件全系兼容,有助于简化产品研发,缩短上市时间。 基于意法半导体独有的先进的BCD8S 汽车半导体制造技术,这一市场独有的单片解决方案可满足车门区控制模块对电源管理和应急故障保护的要求,功能特性包括内置7.5A最大额定电流的半桥和上桥臂驱动器,以及高速CAN(HS-CAN)和LIN 2.2a(SAE J 2602)接口、控制模块和
[电源管理]
意法半导体(ST)推出下一代车门区控制器
机载高频开关电源设计
问题的描述 机载高频开关电源产品专门用于输入交流400Hz的场合,这是特意为了满足军用雷达、航空航天、舰船、机车以及导弹发射等专门用途所设计的。应用户要求,研制出机载高频开关电源产品对电子武器装备系统的国产化,打破国际封锁,提高我军装备的机动性,高性能都有重要的意义。 机上可供选择的供电电源有两种输入方式:115V/400Hz中频交流电源和28V直流电源。两种输入方式各有优缺点,115V/400Hz电源波动小,需要器件的耐压相对较高;而28V直流电源却相反,一般不能直接提供给设备部件使用,必须将供电电源进行隔离并稳压成为需要的直流电源才能使用。机载电源的使用环境比较恶劣,必须适应宽范围温度正常工作,并能经受冲击
[电源管理]
利用数字示波器测试开关电源的方法
从传统的模拟型电源到高效的 开关电源 ,电源的种类和大小千差万别。它们都要面对复杂、动态的工作环境。设备负载和需求可能在瞬间发生很大变化。即使是“日用的”开关电源,也要能够承受远远超过其平均工作电平的瞬间峰值。设计电源或系统中要使用电源的工程师需要了解在静态条件以及最差条件下电源的工作情况。   过去,要描述电源的行为特征,就意味着要使用数字万用表测量静态电流和电压,并用计算器或PC进行艰苦的计算。今天,大多数工程师转而将示波器作为他们的首选电源测量平台。现代示波器可以配备集成的电源测量和分析软件,简化了设置,并使得动态测量更为容易。用户可以定制关键参数、自动计算,并能在数秒钟内看到结果,而不只是原始数据。    电源设计问题及其
[电源管理]
基于SSL1623PH设计的开关电源LED驱动技术
本文介绍了SSL1623PH主要特性和优势,方框图以及典型应用电路图.NXP 公司的SSL1623PH是开关电源(SMPS)控制器,能直接从通用电压火线(80V-276V)整流电压工作,它集成了6.5Ω和650 V的功率开关,可调频率以方便设计,具有可调过流保护,以及欠压保护,温度保护和短路保护,主要用在LED镇流器,外观照明,LED点照明以及商业照明. SSL1623PH主要特性和优势: Integrated power switch: 6.5 Ω and 650 V Operates from universal AC mains supplies, 80 V to 276 V Adjustable frequency for
[电源管理]
基于SSL1623PH设计的<font color='red'>开关电源</font>LED驱动技术
小广播
最新电源管理文章
换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved