基于UC1845的多路输出双管反激开关电源方案 开关电源

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0 引言
　　随着器件、工艺水平的飞速发展，开关型功率变换器已发展成高效、轻型的直流电源，空间飞行器（星、箭、船等）DC/DC变换器（又称二次电源）也采用该项技术。
　　主要原因是卫星电子设备对电源的效率、重量、体积和可靠性的要求越来越高，而传统的线性电源方案几乎无法满足飞行器系统的需要。在各种类型的DC/DC变换器中，PWM 型DC/DC变换器因结构种类多，技术领先，便于实现，已经得到广泛应用［1］。
　　在航天应用领域开关电源的多种拓扑中，可用于100 V高压母线输入多路输出的开关电源，大多数采用的是两级式变换器，如Buck+推挽两级式变换器，先通过Buck电路将母线电压降压，这样母线电压要经过二次调整，使电压调整率降低；再从器件数量上来说，两级拓扑，功率开关管至少需要3个，电源体积大且功率密度低，从整体分析不是很理想；而对于可以承受高压输入的双管正激开关电源来说，电路结构相对简单，但其不适合用于多路输出的场合，输出交叉调整率较低，稳定度差；适合用于中小功率多路输出DC-DC 变换器的电路拓扑还有是单管反激电路，其电路结构简单，成本低，但在高输入电压场合中单管反激电路主开关管的电压应力非常高，选用200 V耐压的MOSFET管根本无法满足Ⅰ级降额的要求，如果选用更高耐压的MOSFET管，由于其导通电阻更高，势必影响电源的转换效率，同时还可能带来真空环境下的低气压放电问题。
　　因此为了克服以上所提到的问题，本文设计了一种星上用基于UC1845的多路输出双管反激开关电源，很适合应用于高压100 V母线输入、多路输出场合。对于双管反激开关电源，首先，其电路拓扑简单，输入输出电气隔离升/降压范围广，具有输出多路负载自动均衡等优点；其次，由于航天电源对可靠性的要求，所有器件必须满足一级降额标准，在双管反激变换电路中，当功率管关断时，变压器漏感电流可通过续流二极管反馈给电源同时将开关管两端的电压箝位在电源电压，因此功率管所承受的电压应力和输入电压相等，使选管的范围扩大，可靠性提高；再次，双管反激开关电源电路漏感能量可以回馈到输入侧，无须增加任何吸收电路，因而转换效率也比单管反激电路高。因此将其运用于航天器高压输入多路输出场合，优势很大，具有实际的工程应用价值。
　　1 系统设计图
　　系统设计框图如图1所示。

　　

　　2 双管反激拓扑结构
　　双管反激拓扑结构如图2所示。

　　

　　如图2所示，VT1和VT2分别串接于变压器的顶端和底端。两个开关管同时导通和关断，当它们导通时，所有初级和次级的同名端为正，此时次级VD3 反偏，次级无电流流通，初级绕组储存能量；当它们关断时，存储于励磁电感上的电流使所有绕组电压极性反向，VD3 正偏，励磁电感中储存的能量被传输到负载，而此时LP同名端电位被二极管VD2钳位至地，LP异名端电位被二极管VD1 钳位至电源电压U1.所以，VT1 的源极电压不会超过U1，VT2的漏极电压也不会超过U1.漏感尖峰被钳位，使任一开关管的最大电压应力都不会超过最大直流输入电压。
　　双管反激变换器还有一个显着的优点是没有漏感能量消耗。开关管导通时，存储于漏感中的所有能量不是消耗于电阻元件或功率开关管内，而是在开关管关断时通过VT1 和VT2 回馈［2］给U1.漏感电流从LP 的异名端流出，经VD1流入U1的正极，然后从其负极流出，经VD2返回LP的同名端，使漏感能量能回馈到输入侧，提高了整机的转换效率。
　　在航天电源中，对于高压100 V 母线输入电源，双管反激开关电源便显示出极大的优势。
　　3 UC1845 控制电路
　　UC1845 是由Texas Instruments 公司生产的电流控制型PWM 控制器，该芯片电路开关频率可调节，具有电流反馈和电压反馈双环控制的特点，电压调整率和负载调整率高。其内部功能模块框图如图3 所示。图3 中，UC1845 主要包括：
　　5.0 V基准电压源，高增益的误差放大器，电流比较器，RS触发器和欠压锁定电源电路。具有8脚封装的UC1845芯片各引脚功能如下：脚l为误差放大器输出，用于环路补偿；脚2是误差放大器的反相输入，通常通过一个电阻分压器连至开关电源输出，起电压反馈作用，调整输出的占空比，从而稳定输出电压；脚3为电流取样引脚，脉宽调制器使用此信息终止输出开关的导通，保护开关管，避免过流损坏；脚4用于定时，通过时间电阻RT，连接至参考输出引脚8以及时间电容CT 连接至地，使振荡器频率和最大输出占空比可调，振荡频率为f=1.72 （RTCT ） ;脚5是控制电路和电源的公共地；脚6是输出驱动开关管的方波引脚。为图腾柱式输出，可直接驱动功率管MOSFET的栅极；脚7 是控制集成电路的正电源（VCC）启动电压为8.4 V，最大输出电流可以达到1 A，适合驱动MOSFET以及适用于中小功率的DC/DC开关电源；脚8是内部基准电压源产生5.0 V基准电压，作为UC1845内部电源，经衰减得2.5 V电压作为比较放大器基准，并可作为向外电路输出5 V/50 mA的电源。UC1845还包括过压、欠压保护电路，当供电电源电压低于7.6 V 时，芯片停止工作。
　　UC1845 具有很高的工作温度范围，可以在-65~150 ℃的范围内稳定的工作，可满足航天应用［3］。
　　4 主体电路设计
　　主体电路以双管反激电路为总的系统框架，用UC1845芯片和相应的外围电路构成PWM控制器，反馈电路采用了磁隔离反馈，通过一个反馈控制量实现多路输出，在输出端配合应用低压差三端稳压器，可以提高各路输出负载稳定度。

　　　4.1 反馈控制电路设计

　　在常用的隔离反馈技术中，航天方面选用磁反馈较光耦反馈要更为可靠和稳定。相对于磁反馈而言，光耦反馈虽然更能达到所需的带宽，且电路简单、元件少，但在高温下光耦的传输比（CTR）会变小，会导致运放饱和，使输出电压的反馈控制失效。磁反馈比光耦反馈寿命长，受温度影响小。抗辐照能力强，故在航天方面选用磁反馈较光耦反馈要更为可靠和稳定［4］。
　　本电路中控制电路围绕脉宽调制器UC1845进行设计，采用满足航天应用的磁隔离反馈技术。电路电压采样不是直接从输出端采样而是采用了磁隔离反馈技术。这种设计可以不借助启动隔离电路而实现离线式输出，线路简单，但带来的缺点是如果输出端不使用低压差三端稳压器负载调整率做不到很高，可以通过对变压器的设计和对变压器原边电感的计算使其工作于临界连续模式，可对输出电压负载调整率有一定改善；电流环采样信号与自持电压采样反馈信号和基准电压信号进行比较，得到误差控制信号进行比较得到PWM 控制信号构成了电流型控制双环控制系统对开关功率管进行开关控制，实现闭环反馈控制。
　　UC1845启动电压在电路每次启动时是通过启动辅助供电电路降压启动，将PWM 电路的启动工作电压稳定在10~12 V 范围内，使PWM 电路安全可靠地启动并工作；在电源模块正常工作后，由于双管串联反激电路主变压器用于给PWM供电的自持绕组输出电压比降压启动输出电压略高，使得整流二极管被反向截止，该电路无输出功率，而PWM 电路通过主变压器自持绕组输出电压长期供电，这样降低了电路功耗。
　　4.2 双管反激式开关电源变压器设计
　　此双管反激式变压器的绕制采用“三明治”式绕法，如图4所示，即初级绕组先绕一半，再绕次级绕组，绕后再将初级绕组剩余的匝数绕完，将次级绕组包裹在里面，这样漏感最小。且使输出绕组和自持绕组并绕以实现最佳耦合效果。

　　

　　反激式开关电源变压器不同于其他双极型变压器，能量不仅要传递，还要在变压器电感中储存，并实现隔离作用，它实际作为一个变压器-扼流圈发挥作用。因此变压器设计也不同于其他电路，初级绕组电感值直接影响电路中的电压、电流波形。
　　关键参数设计：
　　由已知条件计算出总输出功率，确定磁芯截面积S.
　　和磁芯工作磁感应强度ΔB，选择合适的磁芯。
　　初级线圈的峰值电流：
　　
　　式中，N1 是最小的初级匝数；Vmin 是最大的初级电流电压（单位：V）；TON 是开关管Q1 的最大导通时间（单位：
　　μs）；B 是AC磁通密度变化的峰-峰值（单位：T），铁氧体典型值为200 mT;Ae 为磁芯中心柱的有效面积（单位：
　　
　　5 实验结果
　　本文设计的适用于航天器用宽输入电压范围的双管串联反激、磁隔离反馈、高稳定三路输出DC-DC变换器，电源输入母线电压范围为60~120 V（标称：100 V），输出电压为5 V/0.8 A、±12 V/0.3 A，额定输出功率为11.2 W，典型效率为75%以上，输出端使用低压差三端稳压器的情况下，输出电压负载稳定度优于±1%.
　　5.1 开关电源输出实验结果
　　为了检验该开关电源的性能，对上述应用电路进行了性能测试。开关电源的电压调整率、负载调整率、纹波和效率如表l所示（表中UPP为电压峰峰值）。

　　

　　从实验结果可知，在宽电压输入变化范围内输出电压稳定。
　　5.2 电流采样环波形
　　电流环波形如图5所示。
　　5.3 主开关管漏-源波形
　　主开关管漏-源波形如图6所示。

　　

　　6 结语
　　实验证明本文所设计的基于UC1845多路输出双管反激开关电源开关电源具有良好的工作性能，输出纹波小，反馈环节易于调整，保护动作迅速可靠。符合航天电源可靠性要求，特别适用于中小功率高压母线输入多路输出场合。