15W三路输出DCDC模块电源设计

1、15W 三路输出 DCDC 模块电源设计15W 三路输出 DC/DC 模块电源设计摘要本文介绍了一种 UC3843 控制的小功率多路 DC/DC 模 块电源的详细设计过程，重点讨论了多路输出模块电源设计 与单路输出的不同，详细介绍了 DC/DC 模块电源中常用的 新型芯片 UC3843 的外围电路参数的设计， 给出了多路输出 模块电源中变压器和耦合电感的设计过程及满足各项性能 指标应注意的各种问题。关键词： DC/DC 变换器；多路输出； UC3843; 耦合电感 引言DC/DC 模块已被广泛应用于铁路通信、 微波通讯、 工业 控制、船舶电子、航空电子、 地面雷达、消防设备和医疗 器械教学设备

2、等诸多领域，其中有许多应用场合需要多路输 出，如在单片机智能控制器中，单片机供电需要5V ，而运放通常需要 12V 。在设计多路输出时，有许多地方和单路输 出不同，既要考虑变压器管脚限制、多副边变压器设计、各 路的稳压电路实现，又要考虑每路轻载及满载的负载调整率， 以及负载的交叉调节特性等。本文将通过一个给单片机智能 控制器供电的 15W 三路模块电源的设计实例来详细说明多图1路输出模块电源的设计。 多路输出开关电源原理图 模块电源的工作原理本文针对单片机主板供电电源所设计的多路输出开关 电源如图 1 所示，其中电感 L201、 L202 、L203 是耦合电 感， L204 是偏置绕组，由于

3、变压器管脚限制，取自耦合电 感。电源工作原理如下：电路采用单端正激变换电路，当变 换器接通电源时， 输入直流电压经由电阻、 12V 稳压管 D601 和三极管 Q601 、 Q602 组成的电路稳压降压后 , 启动 UC3843 进入正常工作，偏置绕组 L204 的供电电路开始工 作，输出经 A4 和 C601 整流及滤波后输出 12V 电压，高于 自供电电压，使二极管 A4 反偏，启动电路停止工作。变换 器进入正常工作后，电源依据 PWM 脉宽调制方式工作，次 级绕组的输出经过二极管整流以及电容器和电感器组成的 LC 型滤波器滤波后，产生所需的各路输出直流电压。 +5V 的输出电压由电阻器

4、R402 和 R406 分压后，与可编程稳压 源 TL431(U3) 中的 2.5V 参考电压比较，然后通过光耦合器 U2 反馈到 UC3843 的 2 脚，控制脉冲的占空比，稳定 5V 输出。耦合电感 L202 和 L203 实现 +/-12V 两路稳压。过流 保护电阻 R101 、R102 检测到开关管的过流信号， 送入 3843 的 3 脚，封锁 UC3843 的输出信号，实现过流保护。设计方案选择DC/DC 模块电源以中小功率为主 ,功率大都在 150W 之 下,采用的电路拓扑以反激和正激电路为主,有时也采用推挽电路 ,电源要求体积小， 设计时全部采用贴片元件。 本模块的 主控芯片采用

5、 UC3843 。对于多路输出，如果每路输出电压精度要求高，则每路 都应设计自己独立的闭环稳压回路。如果只有一路是重要的 负载，其他路负载较轻，并对于输出电压精度要求不是很严 格，则只需给重要负载所在回路加反馈控制回路。本模块的 三路输出中，由于 5V 输出是比较重要的负载，输出电流最 大(2A),12V是运算放大器供电电源，允许电压在12V范围 变化 ,电流较小 (0.25A) ，所以只在 5V 主路所在回路加稳压电 路，+/-12V附路的稳压性能靠耦合电感实现。单路输出时，滤波电感采用独立电感，但对多路输出， 输出滤波电感不能采用独立电感，而采用耦合电感，将三路 的输出滤波电感共同绕在一个

6、磁芯上。这是由于只有 5V 主 路受控，使得 5V 输出电压输出特性较好，而 +/-12V 两路较 差，如果用独立电感，会产生以下问题：首先是交叉调节问 题，即主路或附路的负载变动应起附路的附路的输出电压波 动的问题；其次各路输出有自己的滤波器，谐振点不同，变 换器只一路受控，由于谐振频率点的高阻抗特性，引起闭环 环路增益下降和相移，对电流型控制回路影响特别严重。采 用耦合电感 ,可降低制造成本 ,减小电源体积，满足体积要求。UC3843 外围电路设计 开关频率选择本电源设置开关频率为 250kHz ，UC3843 工作频率可 达 500kHz ， 4 脚是 RT/CT 锯齿波振荡器的定时电阻

7、和电容 的公共端，对于 UC3843 ， kHz 。启动电路设计直流电压经电阻、 12V 稳压管 D601 和三极管 Q601 、 Q602 组成的电路降压稳压后，为 UC3843 提供启动电压。 启动电压高于 8.4V 时 UC3843 才能工作，如果启动电压低， 则可通过调整 R601 和 R602 的阻值来实现 9.6V 的启动电压。 过流保护电路设计R101 、R102 为过流检测电阻，阻值较小，以降低电阻 上的损耗。检测电压送入 UC3843 的 3 脚，高于 1V 时，过 流保护电路工作，使 6 脚停止输出矩形波，电路停止工作。 此外还可利用 UC3843 的 1 脚电压低于两个二

8、极管压降时 UC3843 即关闭的特性给电源加上遥控端。 反馈误差放大器设计R302 和 R303 构成积分型调节器，两者的比例关系影 响系统的动态特性。 改变它们的比值可以改变 UC3843 电压 误差放大器的放大倍数， 对于一定的反馈电压量， 可使 PWM 调节器的输出脉宽不同，从而影响输出电压调节幅度，即影 响指标中输出的动态响应调节幅度。积分器的电容 C305 的 大小影响系统的调节速度，即影响指标中输出的动态响应时 间。高频变压器的设计 高频变压器磁性材料选择的标准为高饱和磁感应, 低剩磁。多路输出变压器一般要求有较大的窗口面积， DC/DC 模 块电源可选用FEY型、FEE型、EU

9、I型等，对于正激电路， 理论上变压器初级需有复位绕组 Nr ，这里考虑到变压器脚位 的问题，选取高饱和磁感应强度的磁材，而去掉复位绕组 , 这样使每次磁性都在磁化曲线的下部工作,避免磁芯饱和。考虑高温时饱和磁感应强度 Bs 会下降，同时为降低高 频工作时的磁芯损耗，工作最大磁感应在一般选择为 20002500Gs 。这里选取高饱和磁感应强度的磁材 RM2.2KD ，饱和磁感应强度为 440mT 。根据厂家给出的磁芯材料手册给出的输出功率与磁芯 尺寸的关系。这里选用了 FEY15.3 磁芯，其有效截面积为 182mm2 。经计算，绕组匝数如下：原边 N1 为 16 匝， 5V 主路变 压器的副边

10、 N2 为4匝, +12V 附路变压器的副边 N3 为10 匝， -12V 附路变压器的副边 N4 为 10 匝。绕制时由于原边、主路副边电流较大，为减小漏感，分 别采用双线并绕法，及三线并绕法。输出耦合电感设计在采用一路受控，其余两路依靠耦合电感稳压的控制方 式时，为了把辅助输出电压调节保持在 1V 的稳定范围内， 多路输出时，主输出的电感及每路电感要求工作在电感连续 状态。耦合电感的设计方法不同于单路输出的电感,它的设计方法是先进行高压支路到低压支路的折算 , 根据总输出电流 按单线圈选取磁芯，得到总导线截面积以及线圈导线尺寸、 匝数。最后再分配到各支路，根据各路实际电流和次级匝比 得到各

11、线圈匝数和尺寸。本模块中电流连续模式电感磁芯采用与变压器相同的 材料，仍为 FEY15.3 。电感匝数的选择首先要满足电感的匝数比等于主变压 器的输出绕组的匝数比，在各路用相应的变压器匝数乘以 2 或 3 倍来设计电感匝数。这里选变压器匝数的 3 倍，正好可 以双线并绕填满窗口宽度。则 V01 路输出电感匝数 NL201 为12匝，V02路输出电感匝数 NL02为30匝，V03路输出 电感匝数 NL203 为 30 匝。偏置绕组 NL204 为 UC3843 提 供 12V 工作电压， 由于它的输出电压等于 V02 ，所以其匝数 也为 30 匝。为了满足负载调整率，互感必须很好耦合。所以在缠绕

12、 各个组时，应当使用相同线径的几条导线并排缠绕，并覆盖整个骨架的宽度。其他注意事项(1) 在输出需要隔离的情况下，应提供一条可供漏级驱 动的位移电流从特定输出流回电源初级的低抗回路。此低阻 抗回路通常是一个连接在输出接地端到主要的次级接地端 上的电容 (由特定输出需要的绝缘电压确定适当值)，此输出接地端通过安全电容 Y 与初级接地端连接， 如图 1 中的电容 C001 连接在隔离的交流 3.4V 输出接地端与主要的电源输出 端之间。如果没有为隔离的输出提供此低阻抗电容通道，由 变压器绕组间电容传送的共模位移电流将通过任何可供选 择的路线返回其位于变压器初级的源端，而通过交流输入导 线传输的位移

13、电流可能足以导致超过规定的传输调整指标。 这种类型的电路是否需要附加电容依变压器的绕组间电容 而决定，如果隔离输出与初级间的电容足够小，可以不用此 附加电容。 但是必须经测试验证此附加元件的必要性。 此外， 没有此元件，开关管 DS 波形会发生振荡。(2) 除了要注意满载时输出的调整率， 还要顾及轻载甚至 空载输出的调整率。为了防止空载时输出电压太高而损坏输 出整流管，必须给每路输出均加上死负载，死负载值大小可 以用实验方法确定， 本模块中给主路加 430W ，附路加 1.5KW 死负载加得太大，会降低效率。另外主路和附路之间的死负 载要配合调整，以满足附路的电压范围。(3) 输出空载电压可由 TL431 的分压电阻确定，当空载 输出电压低时，可减小 R406 ，保证 TL431 的 2.5V