基于移動基站蓄電池組的開關電源設計

程大偉,程 勇

(山東科技大學 信息科學與工程學院,山東 青島266510)

移動基站中的備用電源為24節蓄電池組成的48 V蓄電池組提供的直流電源。當市電正常供應時，蓄電池組處于充電（均充或浮充）狀態。若市電掉電時，蓄電池組作為備用電源來為基站內設備供電。由于基站內的監控和防盜設備多需要12 V、5 V以及3.3 V的供電電源，如果通過市電轉化，當市電掉電時，這些監控和防盜設備就會停止工作，就無法對基站內的工作情況進行實時監控。

若以基站內蓄電池組為電壓，就能夠保障監控和防盜設備的持續工作。但是，基站中的每節蓄電池的輸出電壓會隨著充放電過程的進行而不斷變化。在蓄電池浮充狀態下，單節電壓可達到2.4 V以上，整組電壓可達到60 V以上。基站中監控系統對單節蓄電池的電壓下限以及整組電壓下限進行了限定,即當單節蓄電池電壓低于1.8 V或整組蓄電池電壓低于44 V時，蓄電池停止工作。本文提出一種基于UC3842的具有較低紋波系數電壓輸出的開關電源電路設計。

1 UC3842介紹

UC3842是一款高性能單端輸出式電流控制脈寬調制芯片。UC3842主要由5.0 V基準電壓源、占空比調節振蕩器、降壓器、電流測定比較器、PWM鎖存器、高增益E/A誤差放大器和適用于驅動功率 MOSFET的大電流“圖騰柱”輸出電路等構成。其內部結構如圖1所示。

UC3842啟動后，內部脈寬調制電路產生的脈沖信號從6號腳輸出，控制開關功率管的開斷。開關功率管導通時，產生的電流檢測信號經采樣電阻轉化成的低壓直流反饋信號送入3號腳，檢測電流由1號腳誤差放大器的輸出電壓控制。檢測電流可由如下公式得到：

由于電流檢測比較器的反相輸入端箝位在1 V，所以檢測電流的最大值：Is(max)=1/Rs。低壓直流信號送入2號腳的誤差放大器，與內部2.5 V基準電壓比較，產生的誤差信號送入脈寬調制電路，實現脈沖信號的脈寬調制，從而穩定輸出電壓。若輸入電壓由于負載變化等原因升高，2號腳的反饋信號也升高，脈寬調制電路調節輸出的脈沖信號寬度變窄，減小了開關功率管的導通時間，使輸出電壓降低。輸出電壓降低時，同理。

振蕩器的振蕩周期決定脈沖信號的工作周期，而振蕩器頻率由定時元件RT和CT的值決定，其振動頻率計算公式為：

2 主體電路結構分析

結合UC3842的特性，以及移動基站中蓄電池組的供應電壓，本設計的主體電路設計如圖2所示。

2.1 UC3842的啟動

Vin通過R8為C5提供充電電流，當C5的充電電壓達到UC3842的啟動門限電壓16 V時，UC3842開始工作，并向外提供脈沖。R8的取值直接影響UC3842的開啟時間，由于R8只負責UC3842的啟動，所以其功率不需要太大，2 W即可。理論上UC3842的啟動電流為1 mA左右，在實際設計中，以1.5 mA～2 mA設計。R8的計算公式如下：

2.2 開關管控制

由于MOS管都是利用多數載流子導電，不存在少子導電和多余載流子負荷表現出來的存儲時間，所以其動作快、頻率高，不存在二次擊穿。

MOS管Q1導通時，其柵極電容儲能，當 MOS管關斷時，柵極電容的儲能要通過R9泄放。但柵極電容上的儲能泄放速度緩慢，這將導致在儲能泄放過程中MOS管溫度升高，且有較大的功率損耗。若在R9上并聯二極管D7，這將使柵極電容儲能幾乎無阻礙地迅速泄放，到達快速冷卻MOS管的效果。

2.3 單端反激變換器

單端反激原理：當開關管導通時，變壓器的初級線圈儲存能量，只有當開關管關斷時，變壓器初級線圈所儲存的能量才通過次級線圈傳遞給負載。

電路中所設計的單端反激變換器工作原理：當Q1導通時，T1的初級線圈儲存能量，且初級線圈的電壓為上正下負。此時T1次級線圈的電壓為上負下正，但是由于D1和D5的存在，T1的次級線圈上并未有電流流過，即初級線圈的能量并未傳遞給次級線圈。當Q關斷時，T1初級線圈的電壓極性顛倒，此時次級線圈為上正下負，二極管導通。這樣初級線圈儲存的能量通過次級線圈傳遞給負載。

2.4 RCD吸收箝位電路

脈沖變壓器T1的初級線圈所產生的磁力線不能全部通過次級線圈，因此而產生漏感現象，加之其他分布參數的影響，反激式變換器在開關管Q1關斷瞬間會產生上百伏的尖峰電壓，使開關管漏極承受較高的開關應力，這將嚴重威脅Q1的正常工作，必須采取措施對其進行抑制，RCD箝位電路以其電路結構簡單、成本低廉的特點而得到廣泛的應用。

本文所提出的設計中，R1、C2和D4構成了RCD箝位電路，用來吸收Q1關斷瞬間產生的尖峰電壓。當Q1關斷時，變壓器T1上的漏感儲存在箝位電容C2上，并在R1、C2回路中，由R1消耗掉儲存在C2上的漏感能量。這樣就有效地抑制了Q1關斷瞬間產生的尖峰電壓，大大減少了開關管的電壓應力。

2.5 注意

若UC3842外圍電路元器件參數選取不當，會造成Q1和R16的溫度過高。設計反激換器的時候要注意同名端的反向以及合理的匝數比，若未注意這些問題也會造成Q1、R16以及反激變換器發熱，這里選取了24:12的匝數比。

3 PCB設計注意事項

布線時要遵循不共地系統明顯隔離,大電流寬走線，高電壓大間距等原則。高壓部分與低壓部分的隔離要在100 mil以上，經光耦、安規電容、脈沖變壓器可見明顯的隔離帶，不同系統模塊（即不共地系統之間）要有明顯的隔離區域。而當系統中電壓較高時，如本系統中的變壓器初級，同面布線時要尤其注意爬電間隙的重要性。

圖3是PCB器件布局及布線。PCB走線時要注意大電流環的形成，以及大電流線路的并行走線，由安培定則可知，大電流環形導線內易形成較強磁場，降低開關電源性能。大電流的線路應避免這兩種走線方式，盡量使用“十”字交叉式走線。另外，還要避免磁場對UC3842的工作產生影響，UC3842應盡量遠離大電流線路和RCD箝位電路線路,尤其應該避免大電流環路對UC3842的包圍。

另外，還應保證LM2576周圍有足夠的地孔來使上下兩層的電流保持暢通。

移動基站的蓄電池組幾乎可以保證持續供電的需求，將其供應的寬范圍輸入電壓經降壓變換為12 V、5 V和3.3 V的常用電壓，可以為基站中設計監控和防盜設備提供穩定的電源。本文提出的基于UC3842的開關電源設計能夠滿足大部分監控和防盜等設備的供電。

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