基于UC3843控制芯片的BOOST变换器

基于UC3843控制芯片的BOOST变换器摘要：本系统DC-DC模块采用Boost变换拓扑，以UC3843控制芯片作为控制核心,采用PWM控制技术实现开关电源的稳压。Boost变换器可将不可控的直流输入变为可控的直流输出,广泛应用于可调整直流开关电源和直流电机驱动。Boost变换器克服了传统串联型稳压电源能耗大、体积大的缺点,具有体积小、结构简单、变换效率高等优点,但其输出功率一般达不到70W,所以设计Boost变换器的关键是提升电路的输出功率。由于专用升压芯片内部开关管的限制,难以做到大功率升压变换,这使得Boost变换器在实际应用时受到很大限制。因此,利用Boost自身电路结构,结合UC3843控制芯片的特点,设计出一种大功率输出的Boost升压电路。经过测试，在负载电流为2A以下，输入为18V时，输出为30V到36V可调的直流稳压电源，最大输出功率为50W，电压调节的最大误差在之内的直流稳压电源。关键字：开关电源，Boost变换，UC3843控制芯片，斜坡补偿，软启动，过压保护目录一、设计任务与要求二、方案论证12.1DC-DC主回路拓扑12.2稳压控制方案12.3系统总体设计2三、系统设计与参数计算23.1Boost升压电路23.2UC3843控制电路33.3斜率补偿43.4软启动43.5稳压、限流方法及过压保护功能的实现4四、系统测试及结果分析54.1测试使用仪器54.2测试方法5五、总结7参考文献8附录91.系统的主电路原理92.UC3843控制电路电路原理图103.测试波形114.原器件清单11设计任务与要求二、方案论证2.1DC-DC主回路拓扑根据题目要求,设计在负载电流为1A以下，输入为10V时，输出为20V的直流稳压电源，最大输出功率为20W，电压调节的最大误差在之内的直流稳压电源。1.1DC-DC主回路拓扑方案一：间接直流变流电路：结构如图1所示，但由于采用屡次变换，电路中的损耗较大，效率较低，而且结构较为复杂。可实现升降压功能，电压传输比范围宽，输入输出电气隔离，但是由于能量变换较多，结构相对复杂，在非电气隔离要求的小功率场合并不适宜；采用屡次变换，电路中的损耗较大，效率较低，而且结构较为复杂。图1间接直流变换电路方案二：Boost升压斩波电路：BOOST电路〔如3所示〕，可通过调整开关器件S的PWM占空比来实现输出电压稳压或稳流等性能。BOOST电路具有结构简单，工作稳定，控制相对方便，效率较高等优点。图2BOOST升压斩波电路结构框图综上所述：本开关电源并联供电系统中的DC/DC模块采用B变换器拓扑。2.2稳压控制方案方案一：采用单片机数字控制单片机可实时采集多路电压，与内部设定的参考电压进行比拟，采用PI算法等可输出PWM波，从而控制DC/DC各模块的工作状态，但是系统调试比拟复杂。方案二：使用单开关管，能降低开关管损耗，且控制容易，电路较为简洁，但在功率较高的情况下，电感设计要求较高，经验成分多，设计不好会造成过大的冲击电流，影响效率也容易使开关管损坏。采用集成的开关电源控制芯片UC3843，外围器件少，PWM波形精确，性能良好。综合考虑，UC3843是高性能固定频率电流模式控制器，专为离线和直流至直流变化器应用而设计，可具有可微调的振荡器、能进行精确地占空比控制、高增益误差放大器，扩展能力强，对系统的控制方便。故本次设计我们选用方案二。2.3系统总体设计图3UC3843双闭环控制框图整个稳压过程有两个闭环来控制〔如图3所示〕电压闭环：输出电压通过取样后反应给误差放大器，用于同放大器内部的2.5V基准电压比拟后产生误差电压，误差放大器控制由于负载变化造成的输出电压的变化。电流闭环：RS为开关管源极到公共端间的电流检测电阻，开关管导通期间流通电感L的电流在RS产生的电压送至PWM比拟器同向输入端，与误差电压比拟后控制调制脉冲的宽度，从而保持稳定的输出电压。2.3影响系统效率的主要因素有：a.功率变换器开关器件的开关损耗；b.感性元件的铁损和铜损；c.控制电路的损耗等。其中，开关器件的开关损耗是影响系统效率的最主要方面，因此，除主电路结构尽量简化外，选用开通、关断比拟迅速、通态电阻小的功率MOS管作为主开关器件，Boost二极管也选用超快恢复二极管。感性元件主要是Boost电感，选取铁损比拟小的铁氧体为磁芯，尽量选用截面比拟粗的漆包线以降低损耗。控制电路的工作电源采取两种方式来降低损耗：主控制芯片UC3843直接用主电路的整流滤波电路供电，单片机和少量外围电路用自制的开关电源供电。三、系统设计与参数计算压电路〔1〕选择适宜的开关工作频率基于本系统控制的精度要求，最终决定主回路开关频率。〔2〕主电路的MOS管选取根据主电路中的工作电压及电流，结合MOS管的耐压、耐流及损耗性能，电力晶体管耐压高，且开关损耗大，适合工作频率比拟低的场合，电力场效应管耐压比拟低，但是开关损耗小，适合频率比拟高的工作场合。根据这里的情况，我们选用了。考虑到实际电压电流尖峰和冲击，电压电流耐量分别取2.5和2倍裕量，即应选取耐压高于40V，最大电流33A。实际选用IRF540型MOS管，通态电阻25mΩ，最高开关频率超过1MHz。〔3〕主电路的续流二极管选取为降低续流二极管的导通压降，减少功率损耗，提高效率，选用肖特基二极管作为续流二极管。根据主回路中的工作电压及电流，结合肖特基二极管的耐压、耐流及损耗性能，选用IN4746耐压40V最大电流为30A。〔4〕主电路的电感计算a.CCM工作模式下MOS开关管占空比D的计算式中为输入电压，为输出电压。b.当输出最大负载时假设要使电流连续,那么设电感纹波电流为平均电流的30%，即所以流过电感的峰值电流取电感线圈载流量为导线的截面积导线的直径最终选取电感值为,且通过3A以上电流不会饱和的电感器，磁芯材料选用价格廉价的铁粉芯黄自环。〔5〕输出电容计算输出电容的选取决定了输出纹波电压，纹波电压与电容的等效串联电阻ESR有关，电容的容许纹波电流要大于电路中的纹波电流。电容的ESR值为另外为了满足输出纹波电压的相对值的要求，滤波电容应满足考虑裕量，最终选取电容值为。〔6〕反应电阻R1和R2的选取反应电压U01为选取R2=10k的标称电阻，R1为一个1K的标称电阻和一个1K的滑变。3.2UC3843控制电路UC3843是高性能固定频率电流模式控制器专为离线和直流至直流变换器应用而设置，为设计人员提供只需最少外部元件就能获得本钱效益高的解决方案UC3843集成电路具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、温度补偿的参考、高增益误差放大器、电流取样比拟器和大电流图腾柱式输出，是驱动功率MOSFET的理想器件UC3843是专为低压应用设计的，低压锁定门限为：8.5伏〔通〕和7.6v〔断〕。UC3843是近年来问世的新型脉宽调制集成电路，它具有功能全，工作频率高，引脚少外围元件简单等特点，它的电压调整率可达0.01%V，非常接近线性稳压电源的调整率。工作频率可达500kHz，启动电流仅需1mA，所以它的启动电路非常简单。第〔1〕脚是补偿端，外接电阻电容元件以补偿误差放大器的频率特性。第(2)脚是反应端，将取样电压加至误差放大器的反相输入端，再与同相输入端的基准电压进行比拟，输出误差控制电压。第(3)脚接过流检测电阻,组成过流保护电路。RT/RC为锯齿波振荡器的定时电阻和电容的公共端，内部基准电压为VREF=5V。输入电压Vi≤30V，输出端电压Vo取决于高频变压器的变压比。

UC3843是这个开关的电源的核心元件，它产生脉宽可调而频率固定的脉冲输出，推动开关功率管的导通和截止，经整流和滤波向负载提供直流电源，电源兼反应绕组取得的控制电压同时输入UC3843的误差放大器，与基准电压比拟产生控制电压，控制输出脉宽的占空比，从而到达稳压目的。

UC3843得到启动电压后即开始工作，输出一定宽度的脉冲控制驱动功率管的导通和截止。省去了光电耦合的负反应控制电路，使电路更加简洁。R2、C3用于改善误差放大器的频率响应，R1是斜波补偿电容，R10和C5是UC3843的定时电阻和电容，如果R10=10kΩ，C5=4700p，开关频率约为40KHz。R11是过流检测电阻，R6是功率管栅极的限流电阻。 当占空比超过0.5且处于CCM模式时，电感电流上升的曲线和控制电平的夹角要小于下降曲线同控制电平间的夹角时，这时候从几何计算上来看，假设上一个周期电感初始电流反生一个小小扰动，到下个周期开始时，电感电流扰动是增大的，这样扰动经过几个开关周期的逐渐积累后，最后就会出现占空比一大一小的现象，这就是我们说的次谐波振荡电路容易发生次谐振荡。占空比大于50%时，电流的下降率大于上升率，平坦的上升率使电感电流出现一个干扰而被放大，最终导致电路不稳定。因此占空比大于50%时，必须采用斜坡补偿的方法来改善其工作特性。3.4软启动 电源刚接通，稳压电路尚未进入工作状态，而开关电源输出电压的建立需要一定的时间。这样，较低的输出电压，使加在电流比拟器反向输入端的误差电压很高，这将使得芯片在这段时间内⑥脚输出占空比很大的PWM脉冲。开关管导通的时问过长，很容易因过热而烧坏。可以设置如图？所示的由二极管D和电阻R以及电容C构成的软启动电路。 这样，刚开机时由于C上的电压为零，加在电流比拟器反问输入端的误差电压也为零，⑥脚输出低电平。随着芯片①脚输出电压和+5V基准电压通过Rt对C的充电，①脚的电压逐渐升高，使加在电流比拟器反向输入端的误差电压也逐渐升高，⑥脚输出的PWM脉冲的占空比，在刚开机阶段受到限制。当C被充电到一定电压后，二极管D截止，软启动结束3.5稳压、限流方法及过电压保护功能的实现 稳压：输出电压U0经R1和R2分压后的电压U01=[R2/(R1+R2)]U0将其输入误差放大器的反相端，通过与误差放大器同相端的输入基准电压2.5V的比拟来控制脉宽输出3。假设输出电压偏高那么减小导通占空比使输出减小，假设输出电压偏低那么增加导通占空比使输出增大；假设输出直流电压发生变化对输出电压进行取样、反应到UC3843的第2端，通过改变占空比来进行稳压，依此实现双闭环反应控制到达稳压的效果。 限流：当发生过流或者短路的情况时，电流取样电阻Rs上的电压将增大，通过3脚反应输入电流比拟器的同相端，此电压大于1V使触发器复位，6脚输出低电平MOS管截止起到限流保护的作用。 过压：当负载端发生过压情况时，通过电压反应输入到UC3843UC3843停止工作起到保护作用。四、系统测试及结果分析按上述设计，搭建了一个，经调试后工作正常UC3843控制芯片的BOOST变换器，并进行了测试。4.1主要测试使用仪器示波器：TDS1012B-SC数字万用表：UT56MULTIMETER直流稳压电源：MPS-3005L-3测试数据及性能分析〔1〕测试工程一：电源电压调整率测试条件()〔2〕测试工程二：负载调整率表不同负载的输出电压变化测试条件〔3