基于隔离反馈发生器的单端正激DC/DC变换器设计

分类：技术教程日期：2009-06-08 11:29:46 来源：

　单端正激变换器是电路比较简单的一种变换器，也是中、小功率电源中较为常用的方式之一。电流型单端正激型电路具有高频率工作条件下应力低，相同规模的电源所用的元器件较少，因其为电流反馈式，因而具有逐脉冲的过流保护功能，电源动态响应快等优点。

　目前，在单端型电路的隔离反馈方式上，常采用的是光电耦合器隔离的方法，随着高端市场对DC/DC电源需求的加大，传统的光耦隔离方式因其局限性并不能满足相应要求。而隔离反馈发生器具有可靠性高，抗辐照能力强等特点，因而在高端电源设计中得到了较为广泛的应用。

1 光电耦合器隔离及其应用电路

　光电耦合器（光耦）一般由三部分组成：光的发射部分、光的接收部分和信号放大部分。当工作时，输入的电信号驱动发光二极管，使其发出一定波长的光，被光接收器接收后产生光电流，再经过进一步放大后输出。这一过程为电—光—电的转换，从而实现了输入、输出隔离的目的。对于用于传递模拟信号的光电耦合器，它的发光器件为二极管，光接收器为光敏三极管。当有电流通过发光二极管时，便形成了一个光源，该光源的大小与光照的强弱以及流过二极管的正向电流的大小成正比。由于光耦的输入端和输出端之间通过光信号来传输，因而两部分之间在电气上完全隔离，没有电信号的反馈和干扰，所以性能比较稳定，抗干扰能力也比较强。发光管和光敏管之间的耦合电容小、耐压高，故共模抑制比很高。此外，光耦输入电阻小，对高内阻源的噪声相当于被短接。因此，由光电耦合器构成的模拟信号隔离电路具有良好的电气性能。

　作为组成开关电源隔离反馈回路部分的光耦，其具体工作原理如图1所示。

图1 光耦隔离反馈电源原理图

　光电耦合器下方接有电压基准ICTL431。由其提供一个基准电压信号，当＋Vout经分压后与基准电压（2.5V）信号进行比较，当分压电压为高于基准电压（2.5V）时，则光电二极管导通流过电流，光耦输出端输出电信号，传入PWM进行脉宽调节；同理，当分压电压低于基准电压（2.5V）时，光电二极管不导通，电流近似为0，光耦输出端相当于断开状态，此时PWM具有最大占空比。

综上所述，采用光耦隔离的主要优点有：

1）信号单向传输，输入输出完全实现电气隔离；

2）抗干扰能力较强，在一定时间范围内工作稳定；

3）隔离耐压高；

4）灵敏度高，传输效率高；

5）与TL431一起构成的采样、比较、隔离反馈电路形式简单。

　其主要缺点有：

1）光耦在电路实际工作当中，存在耦合效果逐渐衰减的现象，随着工作时间的增加，会导致电路的反馈效果下降；

2）由于光耦自身结构以及工作机理，使其抗辐照能力很差，在某些特定条件下可靠性较差。

2 隔离反馈发生器UC1901

　图2为采用隔离反馈发生器的DC/DC电源模块的原理图，其主要是通过从输出端采集电压信号，传入相应的隔离反馈发生器中进行电压信号的比较，然后经过隔离变压器耦合后将电信号传入PWM中进行脉宽调节，从而起到电路调压稳压的作用。它的工作方式为调幅—隔离—变压器传输—解调的过程。这个电路的核心器件是隔离反馈发生器，在本设计中采用的是UC1901。

图2 隔离反馈发生器电源原理图

　UC1901隔离反馈发生器是针对解决电压隔离反馈的方式中，闭环反馈控制环路所出现的问题而设计的，其具有幅值调制精密参考电路，误差放大电路等电路，从而简化了隔离式（即输入回路控制）开关集成稳压电源的闭环反馈回路部分。由于电路采用调幅输出，误差信号被耦合在高压隔离带两端，所以使电路的稳定性及可重复的闭环特性都得到了改善。作为光电耦合器可靠的代替品，UC1901通过输出电路的参考电路以及反馈信号的耦合通道，利用输入电路控制的优势，为电路提供很好的隔离耐压特性、调整特性及瞬态特性。

　 UC1901工作电压范围为4.5～40V，内部调幅信号的载波频率最高可达5MHz，非常适用于开关电源的隔离反馈电路。

　14脚封装型UC1901中，脚1（C_T）外接电容；脚8（R_T）外接电阻，这两个端主要用来确定UC1901芯片的载波工作频率；脚2（EXTCLK）为外部时钟端，可实现与外部电路的工作同步，同步信号可以是系统时钟或开关电源的工作频率；脚4和脚5分别是DRIVERB和DRIVERA，为UC1901的输出端，与隔离变压器相连；脚9（VREF）为基准电压输出端，可向外提供精度为1％的1.5V电压基准；脚10（NI）为内部误差运算放大器同相输入端；脚11（INV）为比较器反相输入端；脚12（COMP）为比较器输出端，用于运算放大器的补偿；脚13（STATUS）为环路状态监控端，作用是当外部被检测的误差电压超过比较器正负输入差值的±10％范围，则会锁定UC1901；脚14VIN为UC1901工作电压输入端；脚3及脚6为空脚。
3 应用UC1901的单端正激变换器

　以UC1843为PWM控制器，UC1901为隔离反馈信号发生器，设计了一个输出电压为12V，功率为15W的开关电源．

　由于UC1843为通用的PWM控制器，大家十分熟悉，此处不再赘述。

　即接在电源输出端。电源工作过程中，从输出端电压进行采样，经电阻分压后接入UC1901反馈端。采样电压将与1.5V参考电压基准进行比较后由误差电压经高增益误差放大器放大，经UC1901的补偿输出端放大的误差信号被反相送至调制器。调制器的另一端接振荡器，将反相的误差放大信号与振荡器信号混合后，调制器将产生一个幅值与误差信号成比例的方波，其频率与振荡器输入信号频率相同。方波信号经缓冲后被送进耦合变压器。耦合变压器的次级接有一个DRC整流滤波电路，从而形成幅值解调器，并将一定幅值的反馈电压信号传入电路输入回路的PWM控制电路，从而进行脉宽调节，达到调整输出电压的目的。

　对反馈回路工作状态有较大影响的因素主要是其反馈控制电路的电压信号。而对于变压器隔离反馈的方式而言，通过耦合隔离变压器的信号增益是指其本身的匝数比。通常情况下，可通过对隔离变压器的匝数调节来改变反馈电压信号的幅值大小。UC1901可以产生1.6V左右幅值的方波，如果检测器的输出大于1V（包括二极管0.6V的压降），那么要求耦合隔离变压器线圈的匝比大于1：1。

　此外，在实验中发现，UC1901会在环境温度变化较大的时候产生“温漂”问题。分析原因可知，UC1901的输出信号幅值还受到温度变化的影响，图5为UC1901输出幅值与温度的变化曲线。

　随着温度的升高，UC1901的输出幅值不断减小，特别是温度大于105℃以后其输出信号的幅值快速下降，由于UC1901的输出信号幅值的大小直接影响到反馈回路的工作状态，所以幅值较大的变化会直接引起环路的失控现象，从而影响电压的稳定。

　针对这一问题，可以通过在UC1901输出端进行一些优化设计处理，将其输出端与隔离变压器之间加入适当元器件，可以起到调节反馈电压信号幅值的作用，较大增强了UC1901输出驱动能力，从而解决了在高温条件下UC1901因输出信号幅值下降而导致的环路失控问题，提高了整体电路的稳定性。

4 实验结果及结语

　实验电路实际测试数据如表1所列。

表1 实验电路实际测试数据

名称	参数指标	单位
输入电压范围	16－40	V
输出电压	12.0	V
输出功率	15	W
效率	83	％
电压调整率	<1％	％
负载调整率	<1％	％
输出电压纹波	<100	mV
频率	380	kHz
工作温度范围	－55～＋105	℃
体积	38×25×12.5	mm³