基于UC1845的多路輸出雙管反激開(kāi)關(guān)電源方案

引言

隨著器件、工藝水平的飛速發(fā)展，開(kāi)關(guān)型功率變換器已發(fā)展成高效、輕型的直流電源，空間飛行器（星、箭、船等）DC/DC變換器（又稱二次電源）也采用該項(xiàng)技術(shù)。

主要原因是衛(wèi)星電子設(shè)備對(duì)電源的效率、重量、體積和可靠性的要求越來(lái)越高，而傳統(tǒng)的線性電源方案幾乎無(wú)法滿足飛行器系統(tǒng)的需要。在各種類型的DC/DC變換器中，PWM型DC/DC變換器因結(jié)構(gòu)種類多，技術(shù)領(lǐng)先，便于實(shí)現(xiàn)，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

在航天應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)關(guān)電源的多種拓?fù)渲?，可用?00V高壓母線輸入多路輸出的開(kāi)關(guān)電源，大多數(shù)采用的是兩級(jí)式變換器，如Buck+推挽兩級(jí)式變換器，先通過(guò)Buck電路將母線電壓降壓，這樣母線電壓要經(jīng)過(guò)二次調(diào)整，使電壓調(diào)整率降低；再?gòu)钠骷?shù)量上來(lái)說(shuō)，兩級(jí)拓?fù)?，功率開(kāi)關(guān)管至少需要3個(gè)，電源體積大且功率密度低，從整體分析不是很理想；而對(duì)于可以承受高壓輸入的雙管正激開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但其不適合用于多路輸出的場(chǎng)合，輸出交叉調(diào)整率較低，穩(wěn)定度差；適合用于中小功率多路輸出DC-DC變換器的電路拓?fù)溥€有是單管反激電路，其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但在高輸入電壓場(chǎng)合中單管反激電路主開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力非常高，選用200V耐壓的MOSFET管根本無(wú)法滿足Ⅰ級(jí)降額的要求，如果選用更高耐壓的MOSFET管，由于其導(dǎo)通電阻更高，勢(shì)必影響電源的轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)還可能帶來(lái)真空環(huán)境下的低氣壓放電問(wèn)題。

因此為了克服以上所提到的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種星上用基于UC1845的多路輸出雙管反激開(kāi)關(guān)電源，很適合應(yīng)用于高壓100V母線輸入、多路輸出場(chǎng)合。對(duì)于雙管反激開(kāi)關(guān)電源，首先，其電路拓?fù)浜?jiǎn)單，輸入輸出電氣隔離升/降壓范圍廣，具有輸出多路負(fù)載自動(dòng)均衡等優(yōu)點(diǎn)；其次，由于航天電源對(duì)可靠性的要求，所有器件必須滿足一級(jí)降額標(biāo)準(zhǔn)，在雙管反激變換電路中，當(dāng)功率管關(guān)斷時(shí)，變壓器漏感電流可通過(guò)續(xù)流二極管反饋給電源同時(shí)將開(kāi)關(guān)管兩端的電壓箝位在電源電壓，因此功率管所承受的電壓應(yīng)力和輸入電壓相等，使選管的范圍擴(kuò)大，可靠性提高；再次，雙管反激開(kāi)關(guān)電源電路漏感能量可以回饋到輸入側(cè)，無(wú)須增加任何吸收電路，因而轉(zhuǎn)換效率也比單管反激電路高。因此將其運(yùn)用于航天器高壓輸入多路輸出場(chǎng)合，優(yōu)勢(shì)很大，具有實(shí)際的工程應(yīng)用價(jià)值。

1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。


圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2、雙管反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

雙管反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。


圖2 雙管反激變換器的主拓?fù)?br />
如圖2所示，VT1和VT2分別串接于變壓器的頂端和底端。兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，當(dāng)它們導(dǎo)通時(shí)，所有初級(jí)和次級(jí)的同名端為正，此時(shí)次級(jí)VD3反偏，次級(jí)無(wú)電流流通，初級(jí)繞組儲(chǔ)存能量；當(dāng)它們關(guān)斷時(shí)，存儲(chǔ)于勵(lì)磁電感上的電流使所有繞組電壓極性反向，VD3正偏，勵(lì)磁電感中儲(chǔ)存的能量被傳輸?shù)截?fù)載，而此時(shí)LP同名端電位被二極管VD2鉗位至地，LP異名端電位被二極管VD1鉗位至電源電壓U1.所以，VT1的源極電壓不會(huì)超過(guò)U1，VT2的漏極電壓也不會(huì)超過(guò)U1.漏感尖峰被鉗位，使任一開(kāi)關(guān)管的最大電壓應(yīng)力都不會(huì)超過(guò)最大直流輸入電壓。

雙管反激變換器還有一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有漏感能量消耗。開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，存儲(chǔ)于漏感中的所有能量不是消耗于電阻元件或功率開(kāi)關(guān)管內(nèi)，而是在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)通過(guò)VT1和VT2回饋給U1.漏感電流從LP的異名端流出，經(jīng)VD1流入U(xiǎn)1的正極，然后從其負(fù)極流出，經(jīng)VD2返回LP的同名端，使漏感能量能回饋到輸入側(cè)，提高了整機(jī)的轉(zhuǎn)換效率。

在航天電源中，對(duì)于高壓100V母線輸入電源，雙管反激開(kāi)關(guān)電源便顯示出極大的優(yōu)勢(shì)。

3、UC1845控制電路

UC1845是由TexasInstruments公司生產(chǎn)的電流控制型PWM控制器，該芯片電路開(kāi)關(guān)頻率可調(diào)節(jié)，具有電流反饋和電壓反饋雙環(huán)控制的特點(diǎn)，電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率高。其內(nèi)部功能模塊框圖如圖3所示。圖3中，UC1845主要包括：

5.0V基準(zhǔn)電壓源，高增益的誤差放大器，電流比較器，RS觸發(fā)器和欠壓鎖定電源電路。具有8腳封裝的UC1845芯片各引腳功能如下：腳l為誤差放大器輸出，用于環(huán)路補(bǔ)償；腳2是誤差放大器的反相輸入，通常通過(guò)一個(gè)電阻分壓器連至開(kāi)關(guān)電源輸出，起電壓反饋?zhàn)饔?，調(diào)整輸出的占空比，從而穩(wěn)定輸出電壓；腳3為電流取樣引腳，脈寬調(diào)制器使用此信息終止輸出開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通，保護(hù)開(kāi)關(guān)管，避免過(guò)流損壞；腳4用于定時(shí)，通過(guò)時(shí)間電阻RT，連接至參考輸出引腳8以及時(shí)間電容CT連接至地，使振蕩器頻率和最大輸出占空比可調(diào)，振蕩頻率為f=1.72（RTCT）；腳5是控制電路和電源的公共地；腳6是輸出驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的方波引腳。為圖騰柱式輸出，可直接驅(qū)動(dòng)功率管MOSFET的柵極；腳7是控制集成電路的正電源（VCC）啟動(dòng)電壓為8.4V，最大輸出電流可以達(dá)到1A，適合驅(qū)動(dòng)MOSFET以及適用于中小功率的DC/DC開(kāi)關(guān)電源；腳8是內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生5.0V基準(zhǔn)電壓，作為UC1845內(nèi)部電源，經(jīng)衰減得2.5V電壓作為比較放大器基準(zhǔn)，并可作為向外電路輸出5V/50mA的電源。UC1845還包括過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路，當(dāng)供電電源電壓低于7.6V時(shí)，芯片停止工作。

UC1845具有很高的工作溫度范圍，可以在-65~150℃的范圍內(nèi)穩(wěn)定的工作，可滿足航天應(yīng)用。

4、主體電路設(shè)計(jì)

主體電路以雙管反激電路為總的系統(tǒng)框架，用UC1845芯片和相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成PWM控制器，反饋電路采用了磁隔離反饋，通過(guò)一個(gè)反饋控制量實(shí)現(xiàn)多路輸出，在輸出端配合應(yīng)用低壓差三端穩(wěn)壓器，可以提高各路輸出負(fù)載穩(wěn)定度。

4.1反饋控制電路設(shè)計(jì)

在常用的隔離反饋技術(shù)中，航天方面選用磁反饋較光耦反饋要更為可靠和穩(wěn)定。相對(duì)于磁反饋而言，光耦反饋雖然更能達(dá)到所需的帶寬，且電路簡(jiǎn)單、元件少，但在高溫下光耦的傳輸比（CTR）會(huì)變小，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)放飽和，使輸出電壓的反饋控制失效。磁反饋比光耦反饋壽命長(zhǎng)，受溫度影響小。抗輻照能力強(qiáng)，故在航天方面選用磁反饋較光耦反饋要更為可靠和穩(wěn)定。


圖3 UC1845內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖