一種DCDC開關電源的模塊化設計方法

楊旭東

摘 ? 要：使用電流型控制器UC3843設計制做一款單端隔離型開關電源，著重論述了電源的模塊化設計方法，將設計分解成多個基本功能模塊進行設計，每個功能模塊包含了相關的設計公式，前一模塊的輸出可以作為下一模塊的輸入，未知量盡量減到最少。使整個設計過程連貫、合理、流暢。模塊化設計方法是電源設計的典型方法，可以應用到其它拓撲結構設計中。

關鍵詞：電流型控制 ?DC/DC ?模塊化設計方法

中圖分類號：TM925 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）04（c）-0041-02

UC3843是固定頻率電流型控制器，可形成電壓電流雙環(huán)控制系統(tǒng)，提升開關電源性能，是較為實用的控制器。

1 ?電路原理

采用UC3843設計的實用單端正激隔離電路見圖1。

2 ?模塊化設計

電源輸入18V～36V;輸出5V/5A。

2.1 “黑箱”預估算

（1）輸出功率：Pout=∑（Vout×Iout）=5V×5A=25W

（2）輸入功率：Pin≈Pout/ηest= 25W/0.8 =31.25W（ηest預估效率）

（3）最大平均輸入電流Iin（max）= Pin/Vin（min）=31.25W/18V≈1.74A，最小平均輸入電流Iin（min）= Pin/Vin（max）=31.25W/36V≈0.87A

（4）輸入電流峰值：Ipk=kPout/Vin（min），k=2.8，則Ipk=2.8×Pout/Vin（min）=2.8×25W/18V≈3.89A

2.2 設計變壓器

（1）磁芯：選用Mn-Zn鐵氧體材料。結構可選用FEY型。

（2）工作頻率，工作最大磁感應強度不超過3000Gs，頻率設300kHz。

（3）磁芯型號：

面積乘積法：Ps.t/K=（∑Upi（+）×Ipi+∑Usi（+）×Isi）D，（Ps.t變壓器容量;K電壓波形系數;Upi（+），Usi（+）一次或二次繞組的正電壓幅值，i為繞組的標號;Ipi，Isi一次、二次繞組的電流有效值;D占空比），鐵心的有效橫截面積Ae（mm2）與窗口面積Aw（mm2）之積是選擇磁芯型號的關鍵數據。Ae×Aw=（Ps.t×106）/（K×f×ΔB×J×Kw），（f變壓器工作頻率，單位Hz;ΔB磁通密度最大變化量，單位T，ΔB=Bm-Br;J導線中的電流密度，通常可取4A～15A/mm2;Kw：導線在磁芯窗口中的填充系數，可取0.3～0.35），根據Ae和Aw的乘積，初選磁芯型號。

或按廠家磁芯手冊的輸出功率與磁芯尺寸的關系進行選擇。這里采用第二種方法選用FEY15.3磁芯，其有效截面積Ae為13.6mm2，窗口面積18.6mm2。

（4）計算原副邊匝數和線徑：原邊匝數Np=（Vin×Ton）/（ΔB×Ae） ，（Ae磁芯截面積;Vin輸入電壓;Ton導通時間;ΔB=Bm-Br;Np變壓器原邊匝數），副邊匝數Ns=（ Vout+Vd+Io×R） Np /（D×Vin），（Vout輸出電壓;Vd輸出整流二極管壓降;Io×R線路壓降;Vin直流輸入電壓;D：占空比）。

本例Np為15匝，0.21 mm導線4股，Ns為8匝，0.21 mm導線6股。

（5）驗算窗口填充系數和最大磁感應強度：Kw =（∑At×Ni ）/ Aw，（At一匝導線橫截面積，Ni導線匝數，Aw磁芯窗口面積），窗口系數Kw約為0.3～0.35，也可小于0.3。

2.3 選擇功率開關管和整流二極管

（1）功率開關管：Vds>2×Vin（max）>2×36V>72V，（Vds功率MOSFET管的漏源極的最大電壓）。電流按變壓器初級的最大電流來確定。本例選用IRF530。

（2）整流二極管：選肖特基整流二極管。反向阻斷電壓Vr≥3×Vout，正向導通電流If≥Iout。本例選用MBR2545。

2.4 輸出濾波部分

（1）輸出電感。

①確定電感量及選磁芯型號：電感值L=[Vs（min）-Vout-Vd]×Ton（max） /ΔIL，（Vs（min）變壓器次級最小電壓，Vout出電壓，Vd輸出整流二極管壓降，Ton（max）最大開關管導通時間，ΔIL濾波電感中的電流起伏值通常取ΔIL=0.2×Iout），根據貯能L×I2，依據經驗或磁芯廠家提供的速查圖表，初選一磁芯型號。

②確定線圈匝數和氣隙：由于電感電流中存在較大的直流分量，磁芯加入氣隙，可實際調整。根據圖表資料AL與氣隙長度lg的關系曲線，及電感系數公式AL=L/N2來確定匝數和氣隙。匝數N應進行取整。

③計算并確定導線線徑：確定匝數后，根據電流有效值選取導線線徑。

④校核窗口和最大磁感應：實驗中進一步調整氣隙，以達到最佳的電感量和工作磁通。濾波電感最大磁感應強度可取3000Gs。

本例選用FEY15.3磁芯，8匝，0.25 mm導線6股。

（2）輸出電容：Cout（min）=[Iout（max） ×（1-Dmin）]/（f×Vrip），（Iout（max）輸出端的額定電流值，單位A;Dmin在高輸入電壓和輕載下的最小占空比;Vrip紋波電壓峰峰值，單位V）。本例選用鉭電容100μF的2只和22μF的2只并聯。

（3）UC3843的外圍電路按PDF 說明設計即可。

3 ?樣機驗證及結論

樣機各項參數合格，滿足要求。模塊化設計方法簡單實用。

參考文獻

[1] 劉勝利.現代高頻開關電源實用技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[2] Marty Brown.開關電源設計指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[3] 沙占友.開關電源設計入門[M].北京：中國電力出版社，2013.