基於UC3842的電動車用開關電源設計

   電動車是目前零排放的機動車，作為綠色交通工具，將在21世紀給人類社會帶來巨大的變化。而直流無刷電機憑藉著其優良的性能已經成為電動車電機領域的主流技術和發展方向。性能優良的無刷電機系統離不開性能優良的控制模塊，而控制模塊的性能在很大程度上取決於供電電源的性能，所以高質量的供電電源系統在整個電動車系統中佔有相當重要的位置。
    直流無刷電機的控制模塊是採用微控制器的數字控制的電子系統。基於UC3842高性能電流模式PWM發生器控制的開關電源適合應用於此類系統。本設計通過小型高頻變壓器實現輸出和輸入的完全隔離，不僅提高了電源的效率，簡化了外圍電路，也降低了電源的成本和體積。電源輸出電壓穩定，波紋小，不間斷，性能可靠。

1 單端反激式變換電路的基本結構
    單端反激式變換的典型結構如圖1。單端是指變壓器的磁心僅工作在磁滯回線的一側；反激是指當開關管導通時，在初級線圈中儲存能量，而次級線圈不通；當開關管關閉的時候，初級線圈中的能量通過次級線圈釋放給負載。這是一種成本低的調整器，可以做到輸入輸出部分的完全隔離，有較好的電壓調整率。
 

2 UC3842晶元的性能特點
    UC3842晶元是Unitrode公司的產品，是一種高性能的單端輸出式電流控制型脈寬調製器晶元。其原理框圖如圖2所示。
 
    由5V基準電壓源、控制占空比調定的振蕩器、電流測定比較器、PWM 鎖存器、高增益E/A誤差放大器和適用於驅動功率MOSFET的大電流推挽輸出電路等組成。其主要特點是：

1. 外接元件少，外圍電路簡單，價格便宜。
2. 無需輸入變壓器，起動電流小(<1 mA)。
3. 具有精密的電壓基準源(±1%)。
4. 大電流(1A)PWM 輸出級，可直接驅動功率MOS管。
5. 有欠電壓封鎖和過電流保護功能。
6. 工作頻率可達500 kHz。

    UC3842晶元能同時滿足較好的電氣性能和較低的成本，因而被廣泛地用於20～50 W 的小功率開關電源。圖中8腳是其內部基準電壓(5 V)；7腳是其電源端，晶元工作的開啟電壓為16V，欠壓鎖定電壓為10 V；4腳接振蕩電路，產生所需頻率的鋸齒波，RT接在4、8腳之間，CT接在4腳和地之間。1和2腳為補償端和內部電壓比較器的反相輸入端；從3腳引入的電流反饋信號與1腳的電壓誤差信號比較，產生一個PWM(脈寬調製)波，從6腳(輸出端)輸出該信號，控制功率器件的通斷。3腳為電流檢測輸入端。由於電流比較器輸入端設置了1 V的電流鉗位，當電流過大而使電流檢測電阻R13(如圖3所示)。上的電壓超過1 V(即3腳電平大於1 V)時，將關斷PWM脈衝，從而達到限流保護的目的。

3 開關電源的電路設計
    本文以UC3842為核心控制部件，設計了DC48 V輸入、DC12 V輸出的單端反激式開關穩壓電源。開關電源控制電路是一個電壓、電流雙閉環控制系統。變換器的幅頻特性由雙極點變成單極點，因此增益帶寬乘積得到了提高，穩定幅度大，具有良好的頻率響應特性。
    主要的功能模塊包括：啟動電路、反饋電路、保護電路、整流電路。以下對各個模塊的原理和功能進行分析。開關電源電路原理圖見圖3。
 

3.1 啟動電路
    如圖3，電源通過啟動電阻R，給電容E2充電，當E2電壓達到UC3842的啟動電壓門檻值時，UC3842開始工作並提供驅動脈衝，由6端輸出推動開關管工作。隨著UC3842的啟動，R3的工作也就基本結束，餘下的任務交給反饋繞組，由反饋繞組產生電壓來為UC3842供電。由於48 V 的輸入電壓，超過了UC3842的工作電壓，為了避免意外，用D3穩壓管限定UC3842的輸入電壓。否則，將出現UC3842被損壞的情況。
3.2 過流、短路保護電路
    如圖3，當負載電流超過額定值時，場效應電流增加，R13上的電壓反饋至CSEN(3腳)，通過內部電流檢測比較器輸出複位信號，最後導致開關管關閉。只有在下一個基準脈衝到來時，才可能重新開啟開關管，而不可能出現開關管電流在恆流值左右振蕩的情況。
    當出現輸出短路時，輸出電壓會下降，同時為UC3842供電的反饋繞組也會出現輸出電壓下降。當輸入電壓低於10 V時，UC3842停止工作，沒有觸發脈衝輸出，使場效應管截止。短路現象消失后，電源重新啟動，自動恢復正常工作。這就是俗稱的電路“打嗝”現象。
3.3 精密反饋電路
    當開關管導通時，整流電壓加在變壓器初級繞組上的電能變成磁能儲存在變壓器中，開關管截止后，能量通過次級繞組釋放到負載上。由公式：
Uo=(Ton/(nToff))E
可以得出，輸出電壓和開關管的導通時間及輸入電壓成正比；與初，次級繞組的匝數比及開關管的截止時間成反比。
    反饋電路採用精密穩壓器TL431和線性光耦PC817。利用TL431可調式精密穩壓器構成誤差電壓放大器，再通過線性光耦對輸出進行精確的調整。
    如圖3，輸出電壓經R11，R12分壓后得到的取樣電壓，與TL431中的2.5 V帶隙基準電壓進行比較。當輸出電壓出現正誤差，取樣電壓>2.5 V，TL431的穩壓值降低，光耦U2控制端電流增大，UC3842的反饋端(VFB)電壓值增大，輸出端的脈衝信號占空比降低，開關管的導通時間減少，輸出電壓降低；反之，如果輸出電壓出現負誤差，UC3842的輸出脈衝占空比增大，輸出電壓增高，達到穩壓目的。同時，整個電源系統的輸入、輸出被隔離，UC23842受到的干擾減少。
    在對電壓精度要求高的場合，會把電壓反饋信號從補償端(CMOP)輸入，不用UC3842的內部放大器，因此反饋信號的傳輸縮短了一個放大器的傳輸時間，使電源的動態響應更快。

3.4 整流濾波電路
    輸出整流濾波電路直接影響到電壓波紋的大小，影響輸出電壓的性能。開關電源輸出端中對波紋幅值的影響主要有以下幾個方面：

• 輸入電源的雜訊，是指輸入電源中所包含的交流成分。解決的方案是在電源輸入端加電容E1，以濾除此雜訊干擾。
• 高頻信號雜訊，開關電源中對直流輸入進行高頻的斬波，然後通過高頻的變壓器進行傳輸，在這個過程中，必然會摻人高頻的雜訊干擾。還有功率管器件在開關的過程中引起的高頻雜訊。對於這類高頻雜訊的解決方案是在輸出端採用π型濾波的方式。濾波電感採用150 uH的電感，可濾除高頻雜訊。
• 採用肖特基二極體D2整流。基於它低壓，功耗低，大電流的特點，有利於提高電源的效率，其反向恢復時間短，有利於減少高頻雜訊。
• 為了減少共模雜訊，在輸出地和輸入地之間接電容 。

3.5 導通時序
    如圖4所示，在負載不同的時候，其時序電路是不一樣的。在滿載時絕大多數始終周期是導通的，也就是導通的頻率高，中等負載會跳過一部分始終周期，而輕載時要跳過大部分的始終電路，只有少數始終周期是導通的，這樣導通周期的頻率是很低的。圖中，Uo是輸出電壓，CLK是UC3842的基準脈衝，D是UC3842的輸出脈衝，Id是流過開關管的電流，Ud是變壓器初級繞組下端(開關管MOSFET漏級)的電壓。
 

4 實驗結果
    為了檢驗該開關電源的性能，筆者按上述應用電路進行了測試，得到開關電源的輸出波形圖以及不同輸人電壓和不同負載時的輸出電壓如圖5所示。
 
    表1為輸入電壓在30~48 V波動時，輸出電壓的波動情況。表2是負載電流在10~500 mA變化時，輸出電壓的波動情況。
 

5 結論
    UC3842是一種高性能的固定頻率電流型控制器，單端輸出，可直接驅動晶體管和MOSFET，具有管腳數量少、外圍電路簡單、安裝與調試簡便、性能優良、價格低廉等優點。本設計中充分使用了UC3842的控制功能，實現了對輸出電壓的負反饋調節以及各種保護機制。這種開關電源結構簡單，性能穩定，實現了對電動車無刷電機控制模塊的供電，對提高電動車整體性能大有益處。