便攜可調高功率升壓電源設計

張 松， 李 杰， 侯利朋， 劉 俊， 陳 偉

(1.中北大學電子測試技術國防科技重點實驗室;儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西太原 030051;2.山西北方惠豐機電有限公司科研設計二所，山西長治 046012)

0 引言

不同的便攜式設備需求的供電電壓不盡相同，目前大部分車載電源先將汽車蓄電池的DC12 V升高到AC220 V，再通過車載適配器給車載設備供電。但是兩次電壓變換會降低電源效率，導致蓄電池續航時間變短［1］。目前也有一些DC/DC電源，但功率都比較小，無法滿足某些特殊設備的需求，如車載電腦等。因此對于高功率DC/DC升壓電源的需求日益迫切，所以研制開發便攜式新型低壓開關電源有重要意義［2-3］，要求其具有體積小、功率大、損耗小、效率高、應用范圍廣等優點。

本文在深入了解Boost拓撲結構基礎上，提出一種基于UC3843芯片的 DC-DC模塊電源設計方案。經過實驗驗證，該模塊電源實現了直流電壓12～24 V的轉化，且輸出電壓可在24～31 V之間根據用戶的實際需求進行調節［4］，并在數碼管上實時顯示。與此同時，電源輸出功率30 W，DC-DC變換效率達到80%，輸出紋波電壓35 mV，對于輸入電壓穩定性要求高的便攜式設備有一定的實際應用意義。

1 系統工作原理

系統組成原理圖如圖1所示，采用非隔離Boost結構作為DC-DC主回路拓撲結構，以高性能固定頻率電流模式控制器UC3843作為電源的控制芯片，控制開關管的開斷，結合電壓和電流反饋回路對輸出電壓進行調節［5-6］。通過LM7805芯片將12 V輸入電壓穩壓到5 V，為ATmega8供電，通過單片機ADC 6通道采集模擬電壓，將采集到的模擬輸入量轉換為數字信號后輸出，并在數碼管上實時顯示。

圖1 系統總體組成

2 系統硬件設計

硬件電路由DC-DC主拓撲、開關管驅動、輸出電壓顯示三個模塊組成。

2.1 DC-DC 主拓撲

本設計采用結構比較簡單的Boost拓撲回路實現升壓功能，由儲能電感L1，PWM控制開斷的開關晶體管IRF540，續流二極管MBR2045ct及儲能濾波電容C4組成，電路圖如圖2所示。

圖2 Boost主拓撲電路圖

2.1.1 電感的確定

當開關管處于ton時，開關管為導通狀態，二極管處于截止狀態，流經電感和開關管的電流逐漸增大，電感兩端的電壓為Ui，開關管導通和電流取樣電阻的壓降之和為Us，則電流增加部分ΔILon滿足:

當開關管處于toff時，開關管截止，二極管處于導通狀態，儲存在電感中的能量提供給輸出，流經電感和二極管的電流處于減少狀態，二極管正向壓降為Uf，電感兩端電壓為Uo+Uf－Ui，則電流減少部分ΔILoff滿足:

電路穩定狀態下(即電流連續后到最大輸出時)，ΔILon=ΔILoff得:

若忽略電感損耗(電感輸入功率等于輸出功率)即滿足:

由式(4)和(5)得電感平均電流:

式中，f為開關頻率。

為保證電流連續，電感應滿足:

由式(6)～(8)可得滿足電流連續情況下的電感值:

由式(1)得電感的電流紋波:

根據設計要求計算電感的相關參數。首先，根據輸入電壓和輸出電壓確定最大占空比。由式(4)得:

當輸出最大負載時至少應滿足電路工作在CCM模式下，即必須滿足:

其次，考慮在10%額定負載以上電流連續的情況。電路在額定輸出時電感紋波電流為平均電流的20% ～30%，增加ΔIL可以減小電感，但為不增加輸出紋波電壓，須增大輸出濾波電容，取30%為平衡點［7］，即:

由式(7)和(10)可得式(11):

流過電感的峰值電流:

所以選擇50～100 μH且通過10 A電流不會飽和的電感。

2.1.2 開關管的選擇

本設計選擇MOSFET場效應晶體管作為開關管。MOSFET晶體管是單極型器件，頻率特性好，常用于高頻低壓領域。在選擇開關管時，要考慮最大漏-源電壓VDSS、連續漏電流ID和導通內阻RDS(ON)［8］。根據確定電感時的相關數據，選擇IRF540作為開關管，其具體參數為UDSS=100 V、ID=23 A、RDS(ON)=77 mΩ。

2.1.3 整流二極管的選擇

該電路中輸出二極管首先須能承受與輸出電壓等值的反向電壓，并能傳導負載所需的最大電流，同時防止開關閉合時，電容的電荷流向開關管至其損壞。此外，二極管要有較小的正向壓降及電流快速恢復的特點，以減少功率損耗。本設計選用MBR系列肖特基二極管。經過計算，流過二極管的峰值電流為:

所以選擇型號為MBR2045ct的肖特基二極管，其參數為:峰值反向電壓45 V，正向連續電流20 A，正向壓降 0.84 V。

2.1.4 濾波電容的選擇

輸出電容有濾波和儲能的作用，輸出電容的選定取決于對輸出紋波電壓的要求，紋波電壓與電容的等效串聯電阻ESR有關，電容的允許紋波電流要大于電路中的紋波電流。

另外，為滿足輸出紋波電壓相對值的要求，濾波電容應滿足:

式中只有ΔUo是不確定的，由該式知，電容的容值與輸出紋波電壓成反比關系［9］。

根據計算的ESR值和容值選擇電容，由于低溫時ESR值增大，故應按低溫下的ESR值來選擇電容，所以選用2 200 μF/50 V頻率特性好的電解電容。

2.2 開關管驅動

選擇和設計MOS管驅動時需注意兩個方面。①可提供瞬間短路電流的大小;②高端驅動的NMOS導通時需要柵極電壓大于源極電壓，而高端驅動的MOS管導通時源極電壓與漏極電壓(UCC)相同，所以這時柵極電壓要比UCC4 V。上述4 V就是IRF540的最大導通電壓［10］。IRF540僅需要1 mA的短路電流就能導通，因此選用電流控制型芯片UC3843來驅動MOS管的開斷。該芯片集成高增益誤差放大電路，電流取樣比較器及可微調振蕩器，能精確的控制占空比。UC3843外圍電路圖如圖3所示。

圖3 UC3843外圍電路

2.2.1 振蕩器電路

UC3843通過Uref引腳輸出5 V基準電壓給定時電阻R7和定時電容C9充電，C9通過器件內部電流源放電，芯片工作頻率:

取R7=7.5 kV，C9=4 700 pF，則f=49 kHz。

2.2.2 電流采樣與限流電路

由UC3843內部結構知，采樣電流通過電阻轉成的采樣電壓不能超過1 V，否則芯片會保護性的停止輸出。考慮取樣電阻的功耗及限流影響輸出功率，取采樣電阻R8=0.04 Ω。當R8串連到MOS管源極時，整流管和電感會造成電流波形的前沿出現較大尖峰，接入R5和C7構成濾波電路濾除尖峰，避免芯片誤判而保護性停止輸出［11］。

2.2.3 電壓反饋電路

UC3843根據電壓反饋來確定當前的輸出脈寬。R4、R6及R9構成電壓反饋電路，通過此反饋來確定脈寬寬度，它和2.5 V基準電壓做比較來確定誤差電壓，若反饋電壓高于2.5 V，則脈寬變窄，反之變寬，由此可以確定輸出24 V時所選電阻的阻值;通過調節R9的值可以改變輸出電壓，達到電壓可調的目的［12］。

2.2.4 誤差放大器電路

UC3843輸出端與反相輸入端之間應接補償網絡，以便控制閉環頻率響應。反饋補償網絡在回路傳輸特性的處將產生一個極點。取Rf=220 kV、Cf=1 000 pF，該極點可消除功率電路中濾波電容等效串聯電路產生的零點，改善放大器的動態響應，從而提高開關電源的穩定性［13］。

2.2.5 推拉輸出

當UC3843推拉輸出驅動MOS管時，峰值電流可達±1 A，可直接驅動MOS管，但根據MOS管特性，應在推拉輸出端和柵極之間接一個20 Ω的電阻以起到隔離緩沖的作用［14］。

2.3 輸出電壓顯示

ATmega8有一個10位的逐次逼近型 ADC。該ADC與一個8通道的模擬多路復用器連接，能對來自端口C的8路單端輸入電壓進行采樣;ADC還包括一個采樣保持電路，以確保在轉換過程中輸入到ADC的電壓保持恒定［15］。通過寫ADMUX寄存器的REFSn位把AVCC或內部2.56 V參考電壓連接到AREF引腳。在AREF引腳上加一個電容進行解耦，以更好地抑制噪聲［16］。

當ADEN置位時參考電壓及輸入通道選擇才生效，ADEN清零時ADC并不耗電，因此在進入節能睡眠模式之前關閉 ADC。設置 ADCSRA寄存器的ADEN即可啟動ADC，ADC將轉換成的數字量存放于數據寄存器ADCH及ADCL中。

本設計選用ADC6通道采集模擬電壓，C0～C3為位選輸出，D0～D7為段選輸出，AREF接地，參考電壓為MVCC，電路圖如圖4所示。

圖4 ATmega電壓采集

通過程序控制ADC電壓采樣，將轉換后的數字量進行電壓換算，并點亮共陰極數碼管實時顯示。

3 實驗驗證

3.1 便攜性測試

系統整機電路，其尺寸:長7 cm，寬4 cm，便攜易帶。

3.2 功率和效率測試

通過改變負載大小測試系統的承載能力，并計算輸出的最大功率及電源效率。數據如表1所示。

輸出功率達到30 W，效率達到80%，且效率隨負載增大而增大。負載小時，電路中電流較大，二極管和開關管功耗會增大，且電流增大會使電感容易磁飽和，損耗增大。

表1 不同負載的相關數據

輸出紋波電壓均值為35 mV，如圖5所示。

圖5 輸出電壓紋波

3.3 輸出電壓可調測試

該系統可在24～31 V之間穩壓輸出，其表2。

表2 不同輸出電壓的相關參數

通過可變電阻R9調整輸出電壓，從而使反饋電壓最終保持在2.5 V左右。

輸出電壓改變時，系統仍能很好地帶負載輸出。輸出電壓28 V，負載30 Ω時，PWM波形正常，輸出電壓穩定，系統工作正常。

4 結語

采用UC3843控制開關管開斷，Boost拓撲結構升壓，電路結構簡單，成本低，提高了電源效率及性價比。7×4 cm2的整機結構，便攜易帶;輸出功率達到30 W，如果增大電感線徑，輸出功率仍可以提高，可以滿足某些功率偏大的便攜設備的要求;通過調節可變電阻改變反饋電壓，達到改變輸出電壓的目的，并直觀顯示在數碼管上，滿足不同設備的供電要求。為DC-DC變換電路的快速實現提供一種工程方面的參考。

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