一种高效DC－DC模块电源实现方案

DC /DC 模块电源是电子产品设计中广泛使用的二次电源， 它将一次电源单一的输出电压进行二次变换，变成各种需要的电压， 提供给芯片。由于模块体积小， 所以功率密度要求高， 同时工作环境较为恶劣， 可靠性要求高; 模块电源一般要求工作温度为- 20 ~55℃ , MTBF(平均无故障时间)要求在20万小时以上。本文提出了一种基于UC3843芯片DC /DC 模块电源的实现方案， 电路简洁， 工作可靠， 转换效率高。

1 UC3843功能及技术特性

UC3843是一种高性能固定频率电流模式控制器，专为直流至直流变换器低压应用而设计， 设计人员只需采用少量外部元件就能获得性价比高的解决方案。

UC3843具有自动前馈补偿、锁存脉宽调制、欠压锁定、低压启动等特点， 电流模式工作可到500kHz.器件提供8脚双列直插塑料封装和14脚塑料表面贴装封装(SO- 14)。

UC3843由振荡器、误差放大器、电流检测比较器、脉宽调制锁存器、参考稳压器等几部分组成， 内部结构如图1所示，接口信号说明见表1.

 

图1 UC3843内部结构图


 

表1 UC3843芯片管脚说明(双列直插封装)

2 DC /DC转换电路设计

2. 1 设计目标

设计目标为DC /DC 转换模块， 48V 输入， 5V 单路输出， 额定功率为10W, 转换效率不低于75%.

2. 2 总体框图

转换模块由输入滤波电路、开关电路、输出滤波电路、电流检测电路、辅助电源、输出电压反馈电路和PWM 调制电路几部分组成， 如图2所示。

 

图2 转换模块总体框图

 

其中， 开关电路、输入滤波电路与输出滤波电路为主工作电路， PWM 调制电路作为整个模块的控制核心， 根据模块电源工作电流、输出电压反馈信号， 输出控制信号，动态关断与导通开关管， 实现对输出的实时控制。

2. 3 主工作电路设计

由于模块输出功率较小， 所以开关电路采用单管反激电路设计。反激电路是由Buck Boost电路推演而得， 特点是结构简洁， 开关电路仅需四个器件： 变压器、开关管、整流管和输出电容。采用一个变压器，可以实现多路输出。缺点是输出滤波电容上的电流脉动大，需要加大输出滤波电容， 抑制纹波。具体电路原理如图3所示。

 

图3 主工作电路原理

开关电路由T2、VT1、VD2 和C3 构成， 当开关管VT1开通时， 变压器T2 原边电感存储能量， 整流管VD2截止，输出能量由电容C3供给; 当开关管VT1关断时， 变压器上存储的能量通过副边电感经VD2向外输出， 并给C3充电。通过调节VT1的开关占空比， 可以调节输出电压的高低。

输入滤波电路由L1、C1 构成，主要功能是抑制模块的输入反灌电流， 减小模块对输入电源的干扰。

为输出较小纹波， 需要加大输出滤波电容， 或选取ESR小的滤波电容， 但这都会增加成本。在输出滤波电路中，采用一个π型滤波器，达到了减小纹波的效果。

2. 4 电流检测电路

电流检测电路由T1、VD1和R2、R3构成， 见图3。

T1是电流互感器， 通过VD1的整流， 可以在R3得到与主变压器原边电流成一定比例的直流脉动电压， 将这个脉动信号送给PWM 控制器， 实现了原边电流检测。通过调整R2 和R3 的阻值， 改变检测的比例关系， 可以得到合适的电流检测信号。

2. 5 辅助电源电路

如图3所示， 辅助电源电路由R1、T2、VD3和C7( C7见图5)构成。在开机时， 输入电源通过R1直接给控制芯片供电; 当电源工作后， T2的辅助电源绕组输出能量， 通过VD3和C7的整流滤波， 给控制芯片提供能量。

2. 6 输出电压反馈电路

输出电压反馈电路由光耦D2和三端稳压器D3及其外围电路构成， 见图4.TL431 可以看成是一个开关， 当其参考端电压大于2. 5V 时导通， 否则关断。

R12、R13 为输出电压采样电阻， 当输出电压高于5V时， TL431的参考端电压高于2. 5V, 导通， 光耦二极管有电流流过，三极管导通， R9上有高电平， 指示输出过压; 相反， 如果输出电压低于5V, 则R9上为低电平， 指示输出欠压。PWM 调制电路通过R9上的信号对主电路进行占空比调节， 从而使输出稳压。

 

图4 输出电压反馈电路

 

2. 7 PWM 调制电路

PWM 调制电路由电流型控制芯片UC3843 及其外围电路构成， 见图5.R8和C10为RC 振荡器， 控制主电路的工作频率和最大输出占空比; R6、R7 和C9为输出电压反馈调节器，将输出电压反馈信号， 即R9上的电位按比例反馈到Com 端。UC3843将Is 端电位和Com 端电位的某一比例值进行比较， 即将原边电流检测信号和输出电压偏差信号进行比较， 控制脉冲输出，从而实现稳压输出。原边电流每个脉冲信号都被检测， 所以电路具有很好的响应速度。

 

图5 PWM 调制电路

3 结论

本模块设计完成后， 进行了性能测试， 模块满载效率不低于80% , 输出纹波VP- P小于20mV ( 20MH z带宽) , 可靠性指标MTBF大于20万小时， 具有过流保护和短路保护功能，达到了较高的设计水平， 完全满足实际使用需求。