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        一種DCDC開關(guān)電源的模塊化設(shè)計方法

        2020-07-01 01:51:15楊旭東
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2020年12期

        楊旭東

        摘 ? 要:使用電流型控制器UC3843設(shè)計制做一款單端隔離型開關(guān)電源,著重論述了電源的模塊化設(shè)計方法,將設(shè)計分解成多個基本功能模塊進行設(shè)計,每個功能模塊包含了相關(guān)的設(shè)計公式,前一模塊的輸出可以作為下一模塊的輸入,未知量盡量減到最少。使整個設(shè)計過程連貫、合理、流暢。模塊化設(shè)計方法是電源設(shè)計的典型方法,可以應(yīng)用到其它拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計中。

        關(guān)鍵詞:電流型控制 ?DC/DC ?模塊化設(shè)計方法

        中圖分類號:TM925 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼:A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號:1674-098X(2020)04(c)-0041-02

        UC3843是固定頻率電流型控制器,可形成電壓電流雙環(huán)控制系統(tǒng),提升開關(guān)電源性能,是較為實用的控制器。

        1 ?電路原理

        采用UC3843設(shè)計的實用單端正激隔離電路見圖1。

        2 ?模塊化設(shè)計

        電源輸入18V~36V;輸出5V/5A。

        2.1 “黑箱”預(yù)估算

        (1)輸出功率:Pout=∑(Vout×Iout)=5V×5A=25W

        (2)輸入功率:Pin≈Pout/ηest= 25W/0.8 =31.25W(ηest預(yù)估效率)

        (3)最大平均輸入電流Iin(max)= Pin/Vin(min)=31.25W/18V≈1.74A,最小平均輸入電流Iin(min)= Pin/Vin(max)=31.25W/36V≈0.87A

        (4)輸入電流峰值:Ipk=kPout/Vin(min),k=2.8,則Ipk=2.8×Pout/Vin(min)=2.8×25W/18V≈3.89A

        2.2 設(shè)計變壓器

        (1)磁芯:選用Mn-Zn鐵氧體材料。結(jié)構(gòu)可選用FEY型。

        (2)工作頻率,工作最大磁感應(yīng)強度不超過3000Gs,頻率設(shè)300kHz。

        (3)磁芯型號:

        面積乘積法:Ps.t/K=(∑Upi(+)×Ipi+∑Usi(+)×Isi)D,(Ps.t變壓器容量;K電壓波形系數(shù);Upi(+),Usi(+)一次或二次繞組的正電壓幅值,i為繞組的標(biāo)號;Ipi,Isi一次、二次繞組的電流有效值;D占空比),鐵心的有效橫截面積Ae(mm2)與窗口面積Aw(mm2)之積是選擇磁芯型號的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。Ae×Aw=(Ps.t×106)/(K×f×ΔB×J×Kw),(f變壓器工作頻率,單位Hz;ΔB磁通密度最大變化量,單位T,ΔB=Bm-Br;J導(dǎo)線中的電流密度,通??扇?A~15A/mm2;Kw:導(dǎo)線在磁芯窗口中的填充系數(shù),可取0.3~0.35),根據(jù)Ae和Aw的乘積,初選磁芯型號。

        或按廠家磁芯手冊的輸出功率與磁芯尺寸的關(guān)系進行選擇。這里采用第二種方法選用FEY15.3磁芯,其有效截面積Ae為13.6mm2,窗口面積18.6mm2。

        (4)計算原副邊匝數(shù)和線徑:原邊匝數(shù)Np=(Vin×Ton)/(ΔB×Ae) ,(Ae磁芯截面積;Vin輸入電壓;Ton導(dǎo)通時間;ΔB=Bm-Br;Np變壓器原邊匝數(shù)),副邊匝數(shù)Ns=( Vout+Vd+Io×R) Np /(D×Vin),(Vout輸出電壓;Vd輸出整流二極管壓降;Io×R線路壓降;Vin直流輸入電壓;D:占空比)。

        本例Np為15匝,0.21 mm導(dǎo)線4股,Ns為8匝,0.21 mm導(dǎo)線6股。

        (5)驗算窗口填充系數(shù)和最大磁感應(yīng)強度:Kw =(∑At×Ni )/ Aw,(At一匝導(dǎo)線橫截面積,Ni導(dǎo)線匝數(shù),Aw磁芯窗口面積),窗口系數(shù)Kw約為0.3~0.35,也可小于0.3。

        2.3 選擇功率開關(guān)管和整流二極管

        (1)功率開關(guān)管:Vds>2×Vin(max)>2×36V>72V,(Vds功率MOSFET管的漏源極的最大電壓)。電流按變壓器初級的最大電流來確定。本例選用IRF530。

        (2)整流二極管:選肖特基整流二極管。反向阻斷電壓Vr≥3×Vout,正向?qū)娏鱅f≥Iout。本例選用MBR2545。

        2.4 輸出濾波部分

        (1)輸出電感。

        ①確定電感量及選磁芯型號:電感值L=[Vs(min)-Vout-Vd]×Ton(max) /ΔIL,(Vs(min)變壓器次級最小電壓,Vout出電壓,Vd輸出整流二極管壓降,Ton(max)最大開關(guān)管導(dǎo)通時間,ΔIL濾波電感中的電流起伏值通常取ΔIL=0.2×Iout),根據(jù)貯能L×I2,依據(jù)經(jīng)驗或磁芯廠家提供的速查圖表,初選一磁芯型號。

        ②確定線圈匝數(shù)和氣隙:由于電感電流中存在較大的直流分量,磁芯加入氣隙,可實際調(diào)整。根據(jù)圖表資料AL與氣隙長度lg的關(guān)系曲線,及電感系數(shù)公式AL=L/N2來確定匝數(shù)和氣隙。匝數(shù)N應(yīng)進行取整。

        ③計算并確定導(dǎo)線線徑:確定匝數(shù)后,根據(jù)電流有效值選取導(dǎo)線線徑。

        ④校核窗口和最大磁感應(yīng):實驗中進一步調(diào)整氣隙,以達到最佳的電感量和工作磁通。濾波電感最大磁感應(yīng)強度可取3000Gs。

        本例選用FEY15.3磁芯,8匝,0.25 mm導(dǎo)線6股。

        (2)輸出電容:Cout(min)=[Iout(max) ×(1-Dmin)]/(f×Vrip),(Iout(max)輸出端的額定電流值,單位A;Dmin在高輸入電壓和輕載下的最小占空比;Vrip紋波電壓峰峰值,單位V)。本例選用鉭電容100μF的2只和22μF的2只并聯(lián)。

        (3)UC3843的外圍電路按PDF 說明設(shè)計即可。

        3 ?樣機驗證及結(jié)論

        樣機各項參數(shù)合格,滿足要求。模塊化設(shè)計方法簡單實用。

        參考文獻

        [1] 劉勝利.現(xiàn)代高頻開關(guān)電源實用技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001.

        [2] Marty Brown.開關(guān)電源設(shè)計指南[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

        [3] 沙占友.開關(guān)電源設(shè)計入門[M].北京:中國電力出版社,2013.

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