基于隔離反饋發生器的單端正激DC/DC變換器設計

分類：技術教程日期：2009-06-08 11:29:46 來源：

　單端正激變換器是電路比較簡單的一種變換器，也是中、小功率電源中較為常用的方式之一。電流型單端正激型電路具有高頻率工作條件下應力低，相同規模的電源所用的元器件較少，因其為電流反饋式，因而具有逐脈沖的過流保護功能，電源動態響應快等優點。

　目前，在單端型電路的隔離反饋方式上，常采用的是光電耦合器隔離的方法，隨著高端市場對DC/DC電源需求的加大，傳統的光耦隔離方式因其局限性并不能滿足相應要求。而隔離反饋發生器具有可靠性高，抗輻照能力強等特點，因而在高端電源設計中得到了較為廣泛的應用。

1 光電耦合器隔離及其應用電路

　光電耦合器（光耦）一般由三部分組成：光的發射部分、光的接收部分和信號放大部分。當工作時，輸入的電信號驅動發光二極管，使其發出一定波長的光，被光接收器接收后產生光電流，再經過進一步放大后輸出。這一過程為電—光—電的轉換，從而實現了輸入、輸出隔離的目的。對于用于傳遞模擬信號的光電耦合器，它的發光器件為二極管，光接收器為光敏三極管。當有電流通過發光二極管時，便形成了一個光源，該光源的大小與光照的強弱以及流過二極管的正向電流的大小成正比。由于光耦的輸入端和輸出端之間通過光信號來傳輸，因而兩部分之間在電氣上完全隔離，沒有電信號的反饋和干擾，所以性能比較穩定，抗干擾能力也比較強。發光管和光敏管之間的耦合電容小、耐壓高，故共模抑制比很高。此外，光耦輸入電阻小，對高內阻源的噪聲相當于被短接。因此，由光電耦合器構成的模擬信號隔離電路具有良好的電氣性能。

　作為組成開關電源隔離反饋回路部分的光耦，其具體工作原理如圖1所示。

圖1 光耦隔離反饋電源原理圖

　光電耦合器下方接有電壓基準ICTL431。由其提供一個基準電壓信號，當＋Vout經分壓后與基準電壓（2.5V）信號進行比較，當分壓電壓為高于基準電壓（2.5V）時，則光電二極管導通流過電流，光耦輸出端輸出電信號，傳入PWM進行脈寬調節；同理，當分壓電壓低于基準電壓（2.5V）時，光電二極管不導通，電流近似為0，光耦輸出端相當于斷開狀態，此時PWM具有最大占空比。

綜上所述，采用光耦隔離的主要優點有：

1）信號單向傳輸，輸入輸出完全實現電氣隔離；

2）抗干擾能力較強，在一定時間范圍內工作穩定；

3）隔離耐壓高；

4）靈敏度高，傳輸效率高；

5）與TL431一起構成的采樣、比較、隔離反饋電路形式簡單。

　其主要缺點有：

1）光耦在電路實際工作當中，存在耦合效果逐漸衰減的現象，隨著工作時間的增加，會導致電路的反饋效果下降；

2）由于光耦自身結構以及工作機理，使其抗輻照能力很差，在某些特定條件下可靠性較差。

2 隔離反饋發生器UC1901

　圖2為采用隔離反饋發生器的DC/DC電源模塊的原理圖，其主要是通過從輸出端采集電壓信號，傳入相應的隔離反饋發生器中進行電壓信號的比較，然后經過隔離變壓器耦合后將電信號傳入PWM中進行脈寬調節，從而起到電路調壓穩壓的作用。它的工作方式為調幅—隔離—變壓器傳輸—解調的過程。這個電路的核心器件是隔離反饋發生器，在本設計中采用的是UC1901。

圖2 隔離反饋發生器電源原理圖

　UC1901隔離反饋發生器是針對解決電壓隔離反饋的方式中，閉環反饋控制環路所出現的問題而設計的，其具有幅值調制精密參考電路，誤差放大電路等電路，從而簡化了隔離式（即輸入回路控制）開關集成穩壓電源的閉環反饋回路部分。由于電路采用調幅輸出，誤差信號被耦合在高壓隔離帶兩端，所以使電路的穩定性及可重復的閉環特性都得到了改善。作為光電耦合器可靠的代替品，UC1901通過輸出電路的參考電路以及反饋信號的耦合通道，利用輸入電路控制的優勢，為電路提供很好的隔離耐壓特性、調整特性及瞬態特性。

　 UC1901工作電壓范圍為4.5～40V，內部調幅信號的載波頻率最高可達5MHz，非常適用于開關電源的隔離反饋電路。

　14腳封裝型UC1901中，腳1（C_T）外接電容；腳8（R_T）外接電阻，這兩個端主要用來確定UC1901芯片的載波工作頻率；腳2（EXTCLK）為外部時鐘端，可實現與外部電路的工作同步，同步信號可以是系統時鐘或開關電源的工作頻率；腳4和腳5分別是DRIVERB和DRIVERA，為UC1901的輸出端，與隔離變壓器相連；腳9（VREF）為基準電壓輸出端，可向外提供精度為1％的1.5V電壓基準；腳10（NI）為內部誤差運算放大器同相輸入端；腳11（INV）為比較器反相輸入端；腳12（COMP）為比較器輸出端，用于運算放大器的補償；腳13（STATUS）為環路狀態監控端，作用是當外部被檢測的誤差電壓超過比較器正負輸入差值的±10％范圍，則會鎖定UC1901；腳14VIN為UC1901工作電壓輸入端；腳3及腳6為空腳。
3 應用UC1901的單端正激變換器

　以UC1843為PWM控制器，UC1901為隔離反饋信號發生器，設計了一個輸出電壓為12V，功率為15W的開關電源．

　由于UC1843為通用的PWM控制器，大家十分熟悉，此處不再贅述。

　即接在電源輸出端。電源工作過程中，從輸出端電壓進行采樣，經電阻分壓后接入UC1901反饋端。采樣電壓將與1.5V參考電壓基準進行比較后由誤差電壓經高增益誤差放大器放大，經UC1901的補償輸出端放大的誤差信號被反相送至調制器。調制器的另一端接振蕩器，將反相的誤差放大信號與振蕩器信號混合后，調制器將產生一個幅值與誤差信號成比例的方波，其頻率與振蕩器輸入信號頻率相同。方波信號經緩沖后被送進耦合變壓器。耦合變壓器的次級接有一個DRC整流濾波電路，從而形成幅值解調器，并將一定幅值的反饋電壓信號傳入電路輸入回路的PWM控制電路，從而進行脈寬調節，達到調整輸出電壓的目的。

　對反饋回路工作狀態有較大影響的因素主要是其反饋控制電路的電壓信號。而對于變壓器隔離反饋的方式而言，通過耦合隔離變壓器的信號增益是指其本身的匝數比。通常情況下，可通過對隔離變壓器的匝數調節來改變反饋電壓信號的幅值大小。UC1901可以產生1.6V左右幅值的方波，如果檢測器的輸出大于1V（包括二極管0.6V的壓降），那么要求耦合隔離變壓器線圈的匝比大于1：1。

　此外，在實驗中發現，UC1901會在環境溫度變化較大的時候產生“溫漂”問題。分析原因可知，UC1901的輸出信號幅值還受到溫度變化的影響，圖5為UC1901輸出幅值與溫度的變化曲線。

　隨著溫度的升高，UC1901的輸出幅值不斷減小，特別是溫度大于105℃以后其輸出信號的幅值快速下降，由于UC1901的輸出信號幅值的大小直接影響到反饋回路的工作狀態，所以幅值較大的變化會直接引起環路的失控現象，從而影響電壓的穩定。

　針對這一問題，可以通過在UC1901輸出端進行一些優化設計處理，將其輸出端與隔離變壓器之間加入適當元器件，可以起到調節反饋電壓信號幅值的作用，較大增強了UC1901輸出驅動能力，從而解決了在高溫條件下UC1901因輸出信號幅值下降而導致的環路失控問題，提高了整體電路的穩定性。

4 實驗結果及結語

　實驗電路實際測試數據如表1所列。

表1 實驗電路實際測試數據

名稱	參數指標	單位
輸入電壓范圍	16－40	V
輸出電壓	12.0	V
輸出功率	15	W
效率	83	％
電壓調整率	<1％	％
負載調整率	<1％	％
輸出電壓紋波	<100	mV
頻率	380	kHz
工作溫度范圍	－55～＋105	℃
體積	38×25×12.5	mm³