推荐|一种双环控制多输出电源的设计与应用

本文讲述了一种新型多路输出的单端反激式开关电源电路的设计及应用。该设计以 UC3844 PWM控制器为核心，采用了电流反馈和电压反馈双环控制电路。文中详细给出了 电压电流反馈电路、漏感消除电路、启动电路以及变压器的设计过程。实验及应用结果表明 该电源性能优良，具有稳压效果好，纹波小，负载调整率高等优点。作为电机控制的电源模块，具有很高的应用价值。

引言

小型化、高频化、高效率、高可靠性是开关电源的发展方向。以电流型 PWM 控制器为核 心设计出的高频开关电源具有外围电路简单、体积小、高可靠性等优点,广泛适用于中小功 率的场合[1]。

本文给出了一种用于电机控制的新型多输出反激电源的设计。该设计基于 UC3844 高性能 电流型 PWM 控制器。电压反馈和电流反馈双闭环串级结构,使输出电压能够很好地稳定, 电压调整率和负载调整率都较高。光耦 H11A1 和三端可调稳压管 TL431 配合控制大大提高 了瞬态响应速度。RCD 吸收回路和开关管保护电路能很好地消除漏感,使元件能稳定可靠地 工作。实验及应用结果表明该电路具有良好的性能和很高的应用价值。

UC3844 芯片简介

[2]UC3844 是电流型单端输出式 PWM 控制芯片，它主要由高频振荡、误差比较、电流取样比较、脉宽调制锁存、欠压锁定、过压保护等功能电路组成。图 1 为 UC3844 内部结构框 图和引脚图。脚 1 为误差放大器补偿端，脚 2 接电压反馈信号，脚 3 接电流检测信号，脚 4 外接时间电阻 RT 及 CT 用来设置振荡器的频率，脚 5 为接地端，脚 6 为推挽输出端，可提 供大电流图腾柱输出，脚 7 接芯片工作电压，脚 8 提供 5V 的基准电压。

电流型 PWM 双闭环控制系统分析

电流型 PWM 控制系统框图如图 2 所示。该系统采用电流电压双闭环串级控制结构。内环

是电流环,外环是电压环。控制原理是:给定的电压 Ug 与从输出反馈回的电压 Ur 进行比较, 得到的电压误差经电压调节器输出作为另一个给定的电压信号 Ue。该信号与经电阻采样反 映电流变化的信号 Us 进行比较,输出一个占空比可调节的 PWM 脉冲信号,从而使得输出的 电压信号 V0 保持恒定。

图 1 UC3844 内部结构框图和引脚图

UC3844 芯片内部的误差放大器和电流感应比较器就相当于该系统中的电压调节器和电流调节器。该芯片的工作原理是:反馈电压和 2.5V 的基准电压之差,经误差放大器放大后作 为门限电压 Ue。Ue 与电流经采样后的电压 Us 一起送入电流感应比较器。当采样电压超过门 限电压后,电流比较器输出高电平触发 RS 触发器,关断开关管,并保持此状态直至下一次脉 冲到达触发器。因此电流的大小以及输出电压的高低都将影响到开关管的开通时间,从而产 生了占空比可调的脉冲信号。

图 2 双环控制系统框图

多输出反激电源电路设计

图 3 所示多路输出开关电源是专为电机控制设计的。该电路采用反激变换器结构具有电气隔离,易于多路输出,外接元器件少,可靠性高等优点。其中 12V/0.2A、24V/1A、±15V/0.5A 的输出绕组分别为 UC3844、继电器和其它模拟电路供电。5V/2A 输出是重要的一路输出信 号,它除了用于稳压外,还为电机控制用的数字板电源提供 5V 电源。

1 电压反馈电路

在 PWM 双环控制系统中,电压环的作用是稳定输出电压,在输入电压或负载扰动下保持 输出稳定。图 3 左下角电路为 5V 电压反馈电路。

变压器 5V 输出通过三端可调稳压管 TL431 和光耦 H11A1 以电压反馈的形式反馈到 UC3844 的 2 脚。当 5V 输出绕组的电压大于 5V 时，加在三端可调稳压管上的参考电压升高，流过光 耦器件 H11A1 中二极管的电流增大，三极管上的电流也相应地增大，即 UC3844 的 2 脚电压升高，误差放大器输出电压降低,占空比减小,流过开关管的峰值电流减小,使得输出电压降 低。5V 输出电压小于 5V 时的情况与述过程正好相反。

图 3 开关电源原理图

2 电流检测与限制

采样电阻 R17 上的电压反映了变压器 T1 原边绕组上的电流大小。当开关管 Q1 导通时,R17上的电流逐渐增大,它上面的压降增加，通过 R13 将这个电压反馈到芯片 3 脚，该电压与电 流比较器的另一端进行比较，当这个压降达到一定值时，锁存器复位，开关管截止。

I 为检测电流,Ue 为误差放大器的输出电压,UC3844 的内部电流感应比较器反向输入端箝位为1V,因此最大限制电流为Imax = R17分之1 。为了抑制开关管Q1导通时产生的电流尖峰,该电路设计了由 R13、C32 组成的滤波器,其时间常数近似等于电流尖峰持续时间,约为几百纳秒。

3 漏感消除电路

(1) RCD 吸收回路

在反激变换器中,由于高频变压器兼作储能电感用,因而气隙大,漏感亦较大。一方面 会产生开关管关断时很高的电压尖峰,另一方面,整流二极管反向恢复会引起开关管开通时 的电流尖峰。为了解决这个问题,本设计采用 R18、C36、D15 构成的无源箝位电路消除电 路中存在的漏感。该电路简单方便,容易实现,在小功率的情况下能达到较好的抑制效果。

当开关管 Q1 关断时,变压器漏感能量转移到电容 C36 上,然后电阻 R18 将这部分能量消 耗掉。Q1 导通过程中,电容 C36 没有放电到零,那么 Q1 的漏源电压上升的一段时间内,电容 不起作用,有利于反激过冲[4]。

(2) 开关管保护电路

R16、D14、C35 构成的开关管保护电路可以消除开关管漏源间产生的反峰电压。Q1 关断时,Q1 上电流下降,变压器漏感会阻止电流减小,一部分电流继续流过 Q1,另一部分通过 D14 对 C35 充电。C35 的存在减缓了漏源间电压的上升。C35 越大, 漏源间电压上升得越慢, 这样可以降低开关管的损耗。

在选用续流二极管 D14 时,选择了肖特基二极管。这种二极管在峰值电流为 3A 时,导通电 压通常很小。

4 UC3844的启动和振荡频率的设定

R3 为 UC3844AN 的启动电阻，UC3844AN 的启动电压为 16V，当 7 脚的输入电压高于 34V 时，UC3844AN 内部的稳压管将电压稳定在 34V。芯片启动后，变压器有耦合输出，12V 供电绕组有 12V 输出，由 D5、D6、D7、C26、C23、C24 构成的电路为 UC3844AN 提供正 常工作时的电压。

实验结果

对设计的电路进行实验,并给出了实验波形和测试数据。图 4 为此开关电源 5V 输出的电压纹波。测得峰值为 30mV,纹波不超过 0.6%。表 1 为该开关电源空载和带载能力测试结果，其中 5V 带载 3Ω， ±15 V 分别带载 30Ω，24V 带载 15Ω。实验表明该开关电源纹波小, 负 载调整率高，稳压效果好。