基於UC1845的多路輸出雙管反激開關電源方案

2021-01-19 電子產品世界

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/258355.htm

引言

隨著器件、工藝水平的飛速發展，開關型功率變換器已發展成高效、輕型的直流電源，空間飛行器（星、箭、船等）DC/DC變換器（又稱二次電源）也採用該項技術。

主要原因是衛星電子設備對電源的效率、重量、體積和可靠性的要求越來越高，而傳統的線性電源方案幾乎無法滿足飛行器系統的需要。在各種類型的DC/DC變換器中，PWM型DC/DC變換器因結構種類多，技術領先，便於實現，已經得到廣泛應用。

在航天應用領域開關電源的多種拓撲中，可用於100V高壓母線輸入多路輸出的開關電源，大多數採用的是兩級式變換器，如Buck+推挽兩級式變換器，先通過Buck電路將母線電壓降壓，這樣母線電壓要經過二次調整，使電壓調整率降低；再從器件數量上來說，兩級拓撲，功率開關管至少需要3個，電源體積大且功率密度低，從整體分析不是很理想；而對於可以承受高壓輸入的雙管正激開關電源來說，電路結構相對簡單，但其不適合用於多路輸出的場合，輸出交叉調整率較低，穩定度差；適合用於中小功率多路輸出DC-DC變換器的電路拓撲還有是單管反激電路，其電路結構簡單，成本低，但在高輸入電壓場合中單管反激電路主開關管的電壓應力非常高，選用200V耐壓的MOSFET管根本無法滿足Ⅰ級降額的要求，如果選用更高耐壓的MOSFET管，由於其導通電阻更高，勢必影響電源的轉換效率，同時還可能帶來真空環境下的低氣壓放電問題。

因此為了克服以上所提到的問題，本文設計了一種星上用基於UC1845的多路輸出雙管反激開關電源，很適合應用於高壓100V母線輸入、多路輸出場合。對於雙管反激開關電源，首先，其電路拓撲簡單，輸入輸出電氣隔離升/降壓範圍廣，具有輸出多路負載自動均衡等優點；其次，由於航天電源對可靠性的要求，所有器件必須滿足一級降額標準，在雙管反激變換電路中，當功率管關斷時，變壓器漏感電流可通過續流二極體反饋給電源同時將開關管兩端的電壓箝位在電源電壓，因此功率管所承受的電壓應力和輸入電壓相等，使選管的範圍擴大，可靠性提高；再次，雙管反激開關電源電路漏感能量可以回饋到輸入側，無須增加任何吸收電路，因而轉換效率也比單管反激電路高。因此將其運用於太空飛行器高壓輸入多路輸出場合，優勢很大，具有實際的工程應用價值。

1、系統設計圖

系統設計框圖如圖1所示。


圖1 系統設計框圖

2、雙管反激拓撲結構

雙管反激拓撲結構如圖2所示。


圖2 雙管反激變換器的主拓撲

如圖2所示，VT1和VT2分別串接於變壓器的頂端和底端。兩個開關管同時導通和關斷，當它們導通時，所有初級和次級的同名端為正，此時次級VD3反偏，次級無電流流通，初級繞組儲存能量；當它們關斷時，存儲於勵磁電感上的電流使所有繞組電壓極性反向，VD3正偏，勵磁電感中儲存的能量被傳輸到負載，而此時LP同名端電位被二極體VD2鉗位至地，LP異名端電位被二極體VD1鉗位至電源電壓U1.所以，VT1的源極電壓不會超過U1，VT2的漏極電壓也不會超過U1.漏感尖峰被鉗位，使任一開關管的最大電壓應力都不會超過最大直流輸入電壓。

雙管反激變換器還有一個顯著的優點是沒有漏感能量消耗。開關管導通時，存儲於漏感中的所有能量不是消耗於電阻元件或功率開關管內，而是在開關管關斷時通過VT1和VT2回饋給U1.漏感電流從LP的異名端流出，經VD1流入U1的正極，然後從其負極流出，經VD2返回LP的同名端，使漏感能量能回饋到輸入側，提高了整機的轉換效率。

在航天電源中，對於高壓100V母線輸入電源，雙管反激開關電源便顯示出極大的優勢。

3、UC1845控制電路

UC1845是由TexasInstruments公司生產的電流控制型PWM控制器，該晶片電路開關頻率可調節，具有電流反饋和電壓反饋雙環控制的特點，電壓調整率和負載調整率高。其內部功能模塊框圖如圖3所示。圖3中，UC1845主要包括：

5.0V基準電壓源，高增益的誤差放大器，電流比較器，RS觸發器和欠壓鎖定電源電路。具有8腳封裝的UC1845晶片各引腳功能如下：腳l為誤差放大器輸出，用於環路補償；腳2是誤差放大器的反相輸入，通常通過一個電阻分壓器連至開關電源輸出，起電壓反饋作用，調整輸出的佔空比，從而穩定輸出電壓；腳3為電流取樣引腳，脈寬調製器使用此信息終止輸出開關的導通，保護開關管，避免過流損壞；腳4用於定時，通過時間電阻RT，連接至參考輸出引腳8以及時間電容CT連接至地，使振蕩器頻率和最大輸出佔空比可調，振蕩頻率為f=1.72（RTCT）；腳5是控制電路和電源的公共地；腳6是輸出驅動開關管的方波引腳。為圖騰柱式輸出，可直接驅動功率管MOSFET的柵極；腳7是控制集成電路的正電源（VCC）啟動電壓為8.4V，最大輸出電流可以達到1A，適合驅動MOSFET以及適用於中小功率的DC/DC開關電源；腳8是內部基準電壓源產生5.0V基準電壓，作為UC1845內部電源，經衰減得2.5V電壓作為比較放大器基準，並可作為向外電路輸出5V/50mA的電源。UC1845還包括過壓、欠壓保護電路，當供電電源電壓低於7.6V時，晶片停止工作。

UC1845具有很高的工作溫度範圍，可以在-65~150℃的範圍內穩定的工作，可滿足航天應用。

4、主體電路設計

主體電路以雙管反激電路為總的系統框架，用UC1845晶片和相應的外圍電路構成PWM控制器，反饋電路採用了磁隔離反饋，通過一個反饋控制量實現多路輸出，在輸出端配合應用低壓差三端穩壓器，可以提高各路輸出負載穩定度。

4.1反饋控制電路設計

在常用的隔離反饋技術中，航天方面選用磁反饋較光耦反饋要更為可靠和穩定。相對於磁反饋而言，光耦反饋雖然更能達到所需的帶寬，且電路簡單、元件少，但在高溫下光耦的傳輸比（CTR）會變小，會導致運放飽和，使輸出電壓的反饋控制失效。磁反饋比光耦反饋壽命長，受溫度影響小。抗輻照能力強，故在航天方面選用磁反饋較光耦反饋要更為可靠和穩定。


圖3 UC1845內部結構框圖

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