一种DCDC开关电源的模块化设计方法

来源:用户上传      作者:杨旭东

　　摘   要：使用电流型控制器UC3843设计制做一款单端隔离型开关电源，着重论述了电源的模块化设计方法，将设计分解成多个基本功能模块进行设计，每个功能模块包含了相关的设计公式，前一模块的输出可以作为下一模块的输入，未知量尽量减到最少。使整个设计过程连贯、合理、流畅。模块化设计方法是电源设计的典型方法，可以应用到其它拓扑结构设计中。
　　关键词：电流型控制  DC/DC  模块化设计方法
　　中图分类号：TM925                                文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）04（c）-0041-02
　　UC3843是固定频率电流型控制器，可形成电压电流双环控制系统，提升开关电源性能，是较为实用的控制器。
　　1  电路原理
　　采用UC3843设计的实用单端正激隔离电路见图1。
　　2  模块化设计
　　电源输入18V～36V;输出5V/5A。
　　2.1 “黑箱”预估算
　　（1）输出功率：Pout=∑（Vout×Iout）=5V×5A=25W
　　（2）输入功率：Pin≈Pout/ηest= 25W/0.8 =31.25W（ηest预估效率）
　　（3）最大平均输入电流Iin（max）= Pin/Vin（min）=31.25W/18V≈1.74A，最小平均输入电流Iin（min）= Pin/Vin（max）=31.25W/36V≈0.87A
　　（4）输入电流峰值：Ipk=kPout/Vin（min），k=2.8，则Ipk=2.8×Pout/Vin（min）=2.8×25W/18V≈3.89A
　　2.2 设计变压器
　　（1）磁芯：选用Mn-Zn铁氧体材料。结构可选用FEY型。
　　（2）工作频率，工作最大磁感应强度不超过3000Gs，频率设300kHz。
　　（3）磁芯型号：
　　面积乘积法：Ps.t/K=（∑Upi（+）×Ipi+∑Usi（+）×Isi）D，（Ps.t变压器容量;K电压波形系数;Upi（+），Usi（+）一次或二次绕组的正电压幅值，i为绕组的标号;Ipi，Isi一次、二次绕组的电流有效值;D占空比），铁心的有效横截面积Ae（mm2）与窗口面积Aw（mm2）之积是选择磁芯型号的关键数据。Ae×Aw=（Ps.t×106）/（K×f×ΔB×J×Kw），（f变压器工作频率，单位Hz;ΔB磁通密度最大变化量，单位T，ΔB=Bm-Br;J导线中的电流密度，通常可取4A～15A/mm2;Kw：导线在磁芯窗口中的填充系数，可取0.3～0.35），根據Ae和Aw的乘积，初选磁芯型号。
　　或按厂家磁芯手册的输出功率与磁芯尺寸的关系进行选择。这里采用第二种方法选用FEY15.3磁芯，其有效截面积Ae为13.6mm2，窗口面积18.6mm2。
　　（4）计算原副边匝数和线径：原边匝数Np=（Vin×Ton）/（ΔB×Ae） ，（Ae磁芯截面积;Vin输入电压;Ton导通时间;ΔB=Bm-Br;Np变压器原边匝数），副边匝数Ns=（ Vout+Vd+Io×R） Np /（D×Vin），（Vout输出电压;Vd输出整流二极管压降;Io×R线路压降;Vin直流输入电压;D：占空比）。
　　本例Np为15匝，0.21 mm导线4股，Ns为8匝，0.21 mm导线6股。
　　（5）验算窗口填充系数和最大磁感应强度：Kw =（∑At×Ni ）/ Aw，（At一匝导线横截面积，Ni导线匝数，Aw磁芯窗口面积），窗口系数Kw约为0.3～0.35，也可小于0.3。
　　2.3 选择功率开关管和整流二极管
　　（1）功率开关管：Vds>2×Vin（max）>2×36V>72V，（Vds功率MOSFET管的漏源极的最大电压）。电流按变压器初级的最大电流来确定。本例选用IRF530。
　　（2）整流二极管：选肖特基整流二极管。反向阻断电压Vr≥3×Vout，正向导通电流If≥Iout。本例选用MBR2545。
　　2.4 输出滤波部分
　　（1）输出电感。
　　①确定电感量及选磁芯型号：电感值L=[Vs（min）-Vout-Vd]×Ton（max） /ΔIL，（Vs（min）变压器次级最小电压，Vout出电压，Vd输出整流二极管压降，Ton（max）最大开关管导通时间，ΔIL滤波电感中的电流起伏值通常取ΔIL=0.2×Iout），根据贮能L×I2，依据经验或磁芯厂家提供的速查图表，初选一磁芯型号。
　　②确定线圈匝数和气隙：由于电感电流中存在较大的直流分量，磁芯加入气隙，可实际调整。根据图表资料AL与气隙长度lg的关系曲线，及电感系数公式AL=L/N2来确定匝数和气隙。匝数N应进行取整。
　　③计算并确定导线线径：确定匝数后，根据电流有效值选取导线线径。
　　④校核窗口和最大磁感应：实验中进一步调整气隙，以达到最佳的电感量和工作磁通。滤波电感最大磁感应强度可取3000Gs。
　　本例选用FEY15.3磁芯，8匝，0.25 mm导线6股。
　　（2）输出电容：Cout（min）=[Iout（max） ×（1-Dmin）]/（f×Vrip），（Iout（max）输出端的额定电流值，单位A;Dmin在高输入电压和轻载下的最小占空比;Vrip纹波电压峰峰值，单位V）。本例选用钽电容100μF的2只和22μF的2只并联。
　　（3）UC3843的外围电路按PDF 说明设计即可。
　　3  样机验证及结论
　　样机各项参数合格，满足要求。模块化设计方法简单实用。
　　参考文献
　　[1] 刘胜利.现代高频开关电源实用技术[M].北京：电子工业出版社，2001.
　　[2] Marty Brown.开关电源设计指南[M].北京：机械工业出版社，2004.
　　[3] 沙占友.开关电源设计入门[M].北京：中国电力出版社，2013.
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