程大偉,程 勇

(山東科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島266510)

移動(dòng)基站中的備用電源為24節(jié)蓄電池組成的48 V蓄電池組提供的直流電源。當(dāng)市電正常供應(yīng)時(shí)，蓄電池組處于充電（均充或浮充）狀態(tài)。若市電掉電時(shí)，蓄電池組作為備用電源來為基站內(nèi)設(shè)備供電。由于基站內(nèi)的監(jiān)控和防盜設(shè)備多需要12 V、5 V以及3.3 V的供電電源，如果通過市電轉(zhuǎn)化，當(dāng)市電掉電時(shí)，這些監(jiān)控和防盜設(shè)備就會(huì)停止工作，就無法對(duì)基站內(nèi)的工作情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

若以基站內(nèi)蓄電池組為電壓，就能夠保障監(jiān)控和防盜設(shè)備的持續(xù)工作。但是，基站中的每節(jié)蓄電池的輸出電壓會(huì)隨著充放電過程的進(jìn)行而不斷變化。在蓄電池浮充狀態(tài)下，單節(jié)電壓可達(dá)到2.4 V以上，整組電壓可達(dá)到60 V以上?；局斜O(jiān)控系統(tǒng)對(duì)單節(jié)蓄電池的電壓下限以及整組電壓下限進(jìn)行了限定,即當(dāng)單節(jié)蓄電池電壓低于1.8 V或整組蓄電池電壓低于44 V時(shí)，蓄電池停止工作。本文提出一種基于UC3842的具有較低紋波系數(shù)電壓輸出的開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)。

1 UC3842介紹

UC3842是一款高性能單端輸出式電流控制脈寬調(diào)制芯片。UC3842主要由5.0 V基準(zhǔn)電壓源、占空比調(diào)節(jié)振蕩器、降壓器、電流測(cè)定比較器、PWM鎖存器、高增益E/A誤差放大器和適用于驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET的大電流“圖騰柱”輸出電路等構(gòu)成。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

UC3842啟動(dòng)后，內(nèi)部脈寬調(diào)制電路產(chǎn)生的脈沖信號(hào)從6號(hào)腳輸出，控制開關(guān)功率管的開斷。開關(guān)功率管導(dǎo)通時(shí)，產(chǎn)生的電流檢測(cè)信號(hào)經(jīng)采樣電阻轉(zhuǎn)化成的低壓直流反饋信號(hào)送入3號(hào)腳，檢測(cè)電流由1號(hào)腳誤差放大器的輸出電壓控制。檢測(cè)電流可由如下公式得到：

由于電流檢測(cè)比較器的反相輸入端箝位在1 V，所以檢測(cè)電流的最大值：Is(max)=1/Rs。低壓直流信號(hào)送入2號(hào)腳的誤差放大器，與內(nèi)部2.5 V基準(zhǔn)電壓比較，產(chǎn)生的誤差信號(hào)送入脈寬調(diào)制電路，實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的脈寬調(diào)制，從而穩(wěn)定輸出電壓。若輸入電壓由于負(fù)載變化等原因升高，2號(hào)腳的反饋信號(hào)也升高，脈寬調(diào)制電路調(diào)節(jié)輸出的脈沖信號(hào)寬度變窄，減小了開關(guān)功率管的導(dǎo)通時(shí)間，使輸出電壓降低。輸出電壓降低時(shí)，同理。

振蕩器的振蕩周期決定脈沖信號(hào)的工作周期，而振蕩器頻率由定時(shí)元件RT和CT的值決定，其振動(dòng)頻率計(jì)算公式為：

2 主體電路結(jié)構(gòu)分析

結(jié)合UC3842的特性，以及移動(dòng)基站中蓄電池組的供應(yīng)電壓，本設(shè)計(jì)的主體電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.1 UC3842的啟動(dòng)

Vin通過R8為C5提供充電電流，當(dāng)C5的充電電壓達(dá)到UC3842的啟動(dòng)門限電壓16 V時(shí)，UC3842開始工作，并向外提供脈沖。R8的取值直接影響UC3842的開啟時(shí)間，由于R8只負(fù)責(zé)UC3842的啟動(dòng)，所以其功率不需要太大，2 W即可。理論上UC3842的啟動(dòng)電流為1 mA左右，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，以1.5 mA～2 mA設(shè)計(jì)。R8的計(jì)算公式如下：

2.2 開關(guān)管控制

由于MOS管都是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電，不存在少子導(dǎo)電和多余載流子負(fù)荷表現(xiàn)出來的存儲(chǔ)時(shí)間，所以其動(dòng)作快、頻率高，不存在二次擊穿。

MOS管Q1導(dǎo)通時(shí)，其柵極電容儲(chǔ)能，當(dāng) MOS管關(guān)斷時(shí)，柵極電容的儲(chǔ)能要通過R9泄放。但柵極電容上的儲(chǔ)能泄放速度緩慢，這將導(dǎo)致在儲(chǔ)能泄放過程中MOS管溫度升高，且有較大的功率損耗。若在R9上并聯(lián)二極管D7，這將使柵極電容儲(chǔ)能幾乎無阻礙地迅速泄放，到達(dá)快速冷卻MOS管的效果。

2.3 單端反激變換器

單端反激原理：當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器的初級(jí)線圈儲(chǔ)存能量，只有當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器初級(jí)線圈所儲(chǔ)存的能量才通過次級(jí)線圈傳遞給負(fù)載。

電路中所設(shè)計(jì)的單端反激變換器工作原理：當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，T1的初級(jí)線圈儲(chǔ)存能量，且初級(jí)線圈的電壓為上正下負(fù)。此時(shí)T1次級(jí)線圈的電壓為上負(fù)下正，但是由于D1和D5的存在，T1的次級(jí)線圈上并未有電流流過，即初級(jí)線圈的能量并未傳遞給次級(jí)線圈。當(dāng)Q關(guān)斷時(shí)，T1初級(jí)線圈的電壓極性顛倒，此時(shí)次級(jí)線圈為上正下負(fù)，二極管導(dǎo)通。這樣初級(jí)線圈儲(chǔ)存的能量通過次級(jí)線圈傳遞給負(fù)載。

2.4 RCD吸收箝位電路

脈沖變壓器T1的初級(jí)線圈所產(chǎn)生的磁力線不能全部通過次級(jí)線圈，因此而產(chǎn)生漏感現(xiàn)象，加之其他分布參數(shù)的影響，反激式變換器在開關(guān)管Q1關(guān)斷瞬間會(huì)產(chǎn)生上百伏的尖峰電壓，使開關(guān)管漏極承受較高的開關(guān)應(yīng)力，這將嚴(yán)重威脅Q1的正常工作，必須采取措施對(duì)其進(jìn)行抑制，RCD箝位電路以其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的特點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。

本文所提出的設(shè)計(jì)中，R1、C2和D4構(gòu)成了RCD箝位電路，用來吸收Q1關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的尖峰電壓。當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，變壓器T1上的漏感儲(chǔ)存在箝位電容C2上，并在R1、C2回路中，由R1消耗掉儲(chǔ)存在C2上的漏感能量。這樣就有效地抑制了Q1關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的尖峰電壓，大大減少了開關(guān)管的電壓應(yīng)力。

2.5 注意

若UC3842外圍電路元器件參數(shù)選取不當(dāng)，會(huì)造成Q1和R16的溫度過高。設(shè)計(jì)反激換器的時(shí)候要注意同名端的反向以及合理的匝數(shù)比，若未注意這些問題也會(huì)造成Q1、R16以及反激變換器發(fā)熱，這里選取了24:12的匝數(shù)比。

3 PCB設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

布線時(shí)要遵循不共地系統(tǒng)明顯隔離,大電流寬走線，高電壓大間距等原則。高壓部分與低壓部分的隔離要在100 mil以上，經(jīng)光耦、安規(guī)電容、脈沖變壓器可見明顯的隔離帶，不同系統(tǒng)模塊（即不共地系統(tǒng)之間）要有明顯的隔離區(qū)域。而當(dāng)系統(tǒng)中電壓較高時(shí)，如本系統(tǒng)中的變壓器初級(jí)，同面布線時(shí)要尤其注意爬電間隙的重要性。

圖3是PCB器件布局及布線。PCB走線時(shí)要注意大電流環(huán)的形成，以及大電流線路的并行走線，由安培定則可知，大電流環(huán)形導(dǎo)線內(nèi)易形成較強(qiáng)磁場(chǎng)，降低開關(guān)電源性能。大電流的線路應(yīng)避免這兩種走線方式，盡量使用“十”字交叉式走線。另外，還要避免磁場(chǎng)對(duì)UC3842的工作產(chǎn)生影響，UC3842應(yīng)盡量遠(yuǎn)離大電流線路和RCD箝位電路線路,尤其應(yīng)該避免大電流環(huán)路對(duì)UC3842的包圍。

另外，還應(yīng)保證LM2576周圍有足夠的地孔來使上下兩層的電流保持暢通。

移動(dòng)基站的蓄電池組幾乎可以保證持續(xù)供電的需求，將其供應(yīng)的寬范圍輸入電壓經(jīng)降壓變換為12 V、5 V和3.3 V的常用電壓，可以為基站中設(shè)計(jì)監(jiān)控和防盜設(shè)備提供穩(wěn)定的電源。本文提出的基于UC3842的開關(guān)電源設(shè)計(jì)能夠滿足大部分監(jiān)控和防盜等設(shè)備的供電。

[1]張占松,蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2004:319-354.

[2]朱立強(qiáng).使用PWM得到精密的輸出電壓[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2002(11):69-70.

[3]王海.單端反激電路在逆變電源中的應(yīng)用[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2010,13(6)：23-26.

[4]周志敏,周紀(jì)海,紀(jì)愛華.現(xiàn)代開關(guān)電源控制電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2005:139-144,153-197.

[5]陳家洸，徐龍祥.RCD箝位反激變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電源技術(shù)應(yīng)用,2002，5(10)：521-523.