基于Buck-Boost电路的宽输出电压AC-DC电源设计 电压, 工作原理, 影响

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摘要：设计了一种宽输出电压的AC-DC开关电源，其主要特征是输出电压可以在较大范围内任意调节，解决了传统的开关电源只能输出几个特定电压值的问题。该设计的核心是反激变换电路和Buck-Boost电路。分析了这两种电路的工作原理及其应用，并且给出了具体的设计。实验表明，设计的电源能较好地实现了输出电压的宽范围调节。
关键词：Buck-Boost电路；宽输出电压；AC-DC电源；反激变换

0 引言
    电源装置是电力电子系统重要的组成部分，其设计的好坏直接影响到被供电设备性能的发挥。高频开关电源由于具有效率高、体积小和重量轻等特点，获得了广泛的应用。AC-DC开关电源就是把交流电转换为设备需要的直流电的一种装置。而现有的AC-DC开关电源只能输出几个特定电压值，如：220 VAC-15 VDC／12 VDC／5 VDC等，不能实现输出电压在较大范围内的调节。这大大限定了开关电源的应用。
    本文介绍的PWM脉冲调节电路选用芯片UC3842。它是美国Unitrode公司生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片，工怍环境温度在-50～150℃之间，具备优良的脉宽调制特性。此外由于微控制器具备较高的性价比和良好的控制特性，所以选择微控制器作为Buck-Boost电路的PWM信号发生器。

1 UC3842简介
    UC3842是一种性能优良的电流控制型脉宽调制芯片，为8脚双列直插形式。该凋制器单端输出，能直接驱动双极型的功率管或场效应管。它主要优点有管脚效应少，外围电路简单，电压调整率可达0．01％，工作频率高达500 kHz，启动电流小于1 mA，正常工作电流为5 mA，占空比可调且最大可达99％，并可利用高频变压器实现与电网的隔离。此外该芯片具备过流和过压等保护功能。该芯片集成了振荡器、具有高温补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、图腾柱输出电流、输入和基准欠电压锁定电路以及PWM锁存器电路等。
    可见电流控制型脉宽调制器UC3842能产生频率固定而脉冲宽度可调节的驱动信号，控制大功率晶体管的通断状态来调节输出电压的高低，达到稳压的目的。并且可通过构成闭环电压反馈来达到较高的稳压度。

2 AC-DC电源的电路结构
    为了实现宽输出电压的AC-DC电源的设计，本文采用如图1所示的电路结构图。主要由市电接入电路、反激变换电路、滤波电路、UC3842 PWM调节电路、Buck-Boost变换电路及其驱动电路和微控制器等组成。其中市电接入电路、反激变换电路、滤波电路和UC3842PW调节电路构成了高频开关电源，其作用是实现交流电AC到直流电DC的转换，以及为驱动芯片等提供电源。Buck-Boost变换电路的作用是把前级输出的直流电压V变换为需要的直流电压值，作为系统的输出电压。该设计的电压调节正是通过Buck-Boost变换电路实现的。驱动电路把微控制器产生的PWM0信号变换为可以直接驱动Buck-Boost变换电路的信号。

    图1中的滤波电路一般采用LC滤波，从而可以得到较好的直流输出。
2．1 单端反激式变换电路
    单端反激变换电路是高频开关电源的核心部分。其典型电路如图2所示。电路的输入Vin为220 V交流电，经市电输入电路后得到的300 V直流电，输出可以为多组直流电。单端反激变换电路一个重要特点是变压器的线圈充当了电感的角色。

    所谓的单端，是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激，是指当开关管Q1导通时，变压器T的初级电压感应到次级，但是由于感应电动势上负下正，所以整流二极管D1处于截止状态，从而能量储存在初级绕组中；当开关管Q1截止时，此感应电动势通过变压器的绕组耦合到次级，由于次级的同名端和初级是相反的，所以次级的感应电动势是上正下负，次级整流二极管D1导通，初级电感在Q1开通时储存的能量通过磁芯耦合到次级电感，然后通过次级线圈释放到次级输出电容C1中，对电容进行充电，同时为负载供电。当Q1再次导通时，由电容C1对负载供电。从而实现了输出为直流电。
2．2 Buck-Boost电路
    为了实现对高频开关电源的输出电压进行大范围的调节，本文采用了Buck-Boost电路。BuckBoost电路是降压-升压变换器，也称为反号变换器。其可实现对高频开关电源的输出电压的升压／降压调节，基本拓扑结构如图3所示。Buck-Boost电路主要有开关管Tr、电感L、二极管D2和滤波电容C4组成，L1和C2以及L2和C3构成了两个LC滤波电路。Buck-Boost电路的工作原理：当开关管Tr导通时，电流Is流过电感线圈L，L存储能量。当开关管Tr断开时，IL有减小的趋势，电感线圈L产生的自感电势反向，为下正上负，二极管D1受正向偏压而导通，从而为负载供电并且为滤波电容C4充电。当开关管再次导通时，有C4为负载供电。由于输入电压V与输出电压VDC反向，所以Buck-Boost也称为反号变换器。通过控制开关管的导通时间占空比D能实现对输入电压V的升压或降压的调节。

    在连续电流工作模式下输入电压V与输出电压VDC满足如下关系式：
   
    从上式可知道开关管导通时间占空比D=50％为变换器的降压和升压的临界点。当占空比D<50％时，VDC<V，从而实现了降压的变换；当占空比D>50％时，VDC>V，从而实现了升压的变换。可见通过调节占空比D可以实现对输入电压的调节，进而实现输出电压能在较大的范围内调节。2．3 Buck-Boost电路的驱动
    Buck-Boost电路的驱动一直以来是一个主要问题。Buck-Boost电路的驱动主要是对开关管Tr的驱动。由于开关管的源极与驱动信号不共地，所以要用驱动电路把PWM0信号变换为能驱动开关管Tr的PWM脉宽调制信号。本文采用由IR2110芯片构成的自举电路来实现Buck-Boost电路的驱动。如图4所示。IR2110是一种高压高速功率MOSFET和IGBT管驱动器，有独立的高端和低端输出驱动通道，本文采用的是高端输出通道。对自举电容C7的初始充电是由12 V电源通过滤波电容进行的。自举电容充电和放电的过程即可实现PWM脉宽调制信号。图中的C5和C6为12 V电源的滤波电容。

3 实验结果
    该设计的实验结果分为高频开关电源的输出和此输出直流电压经过Buck-Boost电路后得到的输出电压两部分，如图5所示为高频开关电源的输出电压波形。

    由图5可见Vmax=61 V，高频开关电源输出电压波形纹波较小，得到了较好的直流输出。该直流输出电压经过Buck-Boost电路后得到的电压波形如图6所示。

    由图6可知VDCmax=50 V，且电压纹波较小，可见该设计能较好地实现电压的变换。以上实验结果表明：该设计的宽输出电压AC-DC电源能较好地实现交流电转换为直流电，Buck-Boost电路能对前级输出电压进行变换，以得到满意的输出电压值。

4 结语
    本文设计并实现了一种AC-DC电源，该电源能实现输出电压在较大范围内的调节。解决了传统的开关电源只能输出几个特定电压值的问题。实验表明本设计较好地实现了输出电压的宽范围调节。