详解车载电源系统开关电源的设计

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目前世界各国正在研究42VDC汽车用电源系统，欧共体计划从2008年开始采用42VDC电源系统。如何在48VDC电源系统下兼容12VDC电子设备成为了一个课题。通过线性稳压电源实现42VDC/12VDC的转换会产生很大的功率损耗，缺点明显。
          本文提出了一种具有过载和短路保护的车载电源系统的开关电源设计方案。该方案采用单端反激式结构实现42VDC/12VDC的转换，输出电压稳定，波纹小，不间断，性能可靠且电源损耗小。
         
          UC3842的保护电路设计
       
       
        1 UC3842的典型应用
          UC3842是高性能的单端输出式电流控制型脉宽调制（PWM）芯片，其典型应用电路如图1所示。
       
           图1 UC3842典型应用电路
         
          2 过载保护原理分析
          当出现输出短路时，输出电压会下降，同时为UC3842供电的反馈绕组也会出现输出电压下降。当输入电压低于10V时，UC3842停止工作，开关管截止。短路现象消失后，电源重新启动，自动恢复正常工作。
        但由于在高频关断的时候会出现很高的尖峰电压，即使占空比很小的情况下，电路中7脚的输入电压也可能不会降到足够低，过载保护电路并不总能有效的响应所出现的过载情况，对整个系统的性能会产生不良的影响，存在着一定的安全隐患。
         
          3 过流保护原理分析
          当电流取样端3脚上的电压值超过电流检测比较器负端的电压时，可以使脉宽调制锁存器输入复位信号，开关管于是被关闭。这样峰值检测电路限制输出的最大电流，起到了一定的保护作用。
          但是随着开关频率的升高，可能会出现开关电源处于连续模式下，也就是每个开关周期的初级电感电流是从一定的幅度开始增长，这样会产生分谐波振荡。这种不稳定性和稳压器的闭环特性无关，它是由固定频率和峰值电流取样同时工作引起的。图2说明了这样的现象。
         
           图2 补偿前的电流波形
          如图2所示，在t0时刻，开关管被导通，这时初级线圈电流以斜率m1上升，该斜率是输入电压和电感的函数。在t1时刻，电流取样输入到达了电流检测 比较器的门限，将导致开关管关闭，电流以斜率m2衰减，直到下一个开关周期的到来。如果有一个扰动加在电流检测比较器的门限电压上，产生了一个小的△I （如图2中虚线所示），就会发生不稳定的现象。在一个固定的振荡周期内，电流衰减时间减少，最小电流在开关管导通时刻（t 2）上升了△I+m 2/m 1。最小电流在下一个周期（t 3）减小到（△I+m 2/m 1）·（m 2/m 1）。
         
           图3 开关电源原理框图
          每一个后续的开关周期内，该扰动都会与（m 2/m 1）相乘，在几个开关周期交替增加和减小初级线圈电流，也许若干个开关周期后电流会减小到零，使这个过程重新开始。如果m 2/m 1大于1，系统将不稳定。
         
          4 保护电路的改进
         
          如图3所示，本设计针对UC3842典型应用电路的过流、过载保护电路做出以下改进。
          在反馈绕组的整流二极管回路串一个电阻，它和电容C2组成RC滤波网络，对开关管开通瞬间时的尖峰电压起到了滤除的作用。这样，由于尖峰电压的减少，当短路现象发生时，反馈绕组输出的电压会有效的降低，UC3842会停止工作直到短路现象解除。
          对过流保护电路进行斜率补偿。补偿斜率从RT、CT振荡器产生，加到电压反馈端，以提高误差放大器输出的斜率补偿。如图3所示，误差放大器的输出是 具有m3斜率的斜坡，经过两个二极管后被电阻分压，然后输入到电流检测比较器的负端作为过流保护电路的控制电压。这样通过电流检测比较器和脉宽调制锁存器 的配置保证了在任何一个振荡器周期中只有一个单脉冲出现在输出端。当出现过载或者输出电压取样丢失等异常工作情况，内部比较门限会被限定在1V，而不会出 现电路失调的情况。
          图4显示了通过在控制电压上增加一个与脉宽调制时钟同步的人为的斜坡，可以在后续的开关周期有效的抑制由于△I扰动而引起的不稳定。该补偿斜坡的斜率（m 3）必须等于或者大于m 2/2才具有稳定性。通过m 3斜率的补偿，初级线圈电流会被控制电压所抑制，紧跟控制电压的幅度。
         
          实验结果
          表1为输入电压在30～50V波动时，输出电压的波动情况，表2是负载电流在10～500mA变化时，输出电压的波动情况。由表1的数据可得到电压调整率S v<0.3%。由表2的数据可得到输出电阻R o<0.4&Omega;。
       
         
           
           图4 斜率补偿后的电流波形
         
          结论
          本文所提出的是一种结构简单、性能稳定的单端反激式结构开关电源设计方案。由于采用了“斜率补偿”的过流保护方式，性能更加稳定可靠，电压调整率 低、输出电阻小、纹波低，功率损耗低，系统安全系数高，实现对车载电源系统的供电，对提高汽车整体性能大有益处。本设计已经成功应用于武汉理工大学智能信 息系统研究所自行设计的车用直流无刷电机控制器的电源系统中。
          同时，本文所提出的DC/DC方案也适用于其他直流供电电源的应用设计。由于其性能稳定，纹波小，对采用微控制器的数字控制系统的供电电源设计有一定的借鉴意义。
         
                        学习宝典：开关电源设计实战经验总结