1、 电源世界 2013/02 | 21 Research and Design研究与设计基于 UCC2808的推挽式升压型开关电源设计Push-pull Boost Switching-mode Power Supply Based on UCC2808靳丽1，戴永军1，李惺1，钱耀国21.中国电子科技集团第三十六研究所（浙江，嘉兴 314001）；2.浙江嘉科电子有限公司（浙江，嘉兴 314001）Jin Li1，Dai Yongjun1，Li Xing1，Qian Yaoguo21. No. 36 Research Institute of China Electronics Technol
2、ogy Group Corporation（Jiaxing City , Zhejiang 314001）；2. ZheJiang JEC Electronic Co.,Ltd （Jiaxing City , Zhejiang 314001）；摘 要：本文介绍了一款隔离式、升压型DC/DC开关电源。主拓扑使用推挽电路，以低功率电流模式PWM控制器UCC2808为控制核心。经过实验测试表明，该电源具有极高的电压调整率和负载调整率，高效率、低纹波，以及良好的电路保护功能。关键词：UCC2808 推挽电路 光电耦合Abstract: This article describes an isolate
3、d boost DC / DC switching-mode power supply. The main topology is a push-pull circuit. UCC2808 is used in this paper. The experiments showed that the power supply has a very high voltage regulation and load regulation, high efficiency, low ripple, as well as a good circuit protection function.Keywor
4、ds: UCC2808, Push-pull circuit, Photocoupler中图分类号TN86 文献标识码A 文章编号：1561-0349（2013）02-0021-041 引言推挽变换器是最早也是应用最广泛的拓扑之一。在低压输入时，电路中两个对称的功率开关管每次只导通一个，相对于其他电路，导通损耗更小1。本文基于UCC2808电流模式控制芯片，采用推挽变换器拓扑，设计了一款DC/DC升压型开关电源。电源的直流输入电压范围18V32V，直流输出电压为200V，输出电流为75mA。该电源具有极高的电压调整率和负载调整率、高效率、低纹波，以及良好的电路保护功能。2 控制芯片介绍UCC2
5、808是由德州仪器推出的电流型脉宽调制芯片，是一个BiCMOS系列推挽式、高速、低功率、脉冲宽度调制器。芯片仅需很少的几个外围元件，即可实现DC/DC固定频率、电流模式开关电源所需的所有控制和驱动电路。内部结构框图如图1所示。 VOLTAGEREFERENCE0.5VVDD-1VVDDOKOVERCURRENTCOMPARATOR0.75VSOFT STARTSLOPE=1V/msRVDD2.2V2.0V2SSRRQQFB COMP1 3CSPEAK CURRENTCOMPARATOR0.5V0.8VPWMCOMPARATOROSCILLATOR1.2RSRQPWMLATCH14V8 VDD7
6、 OUTA65OUTBGND4RCQQT图1 UCC2808内部结构方框图UCC2808为8脚SO-8封装，1脚COMP为误差放大器的输出端、PWM比较器的输入端，芯片内部设有全周期软启22 | The World of Power Supply Feb 2013 Research and Design研究与设计动，当1脚电压达到最大值时启动软启动加以限制；2脚FB为误差放大器反相输入端；3脚为PWM比较器、峰值电流比较器和过流比较器的输入端，通过该端子可改善模块电源的动态特性；4脚为振荡器的编程端。振动频率取决于定时电阻R和定时电容C，振动频率的近似值可通过式(1)计算。o1.41=fRC(
7、1)式中：fo为振动频率（kHz）；R为定时电阻（k），取值范围在10k200 k之间，R值不要小于10 k，以免引起系统的不稳定；C为定时电容（F），取值范围在100pF1000pF之间。6脚和7脚为交替的高电流输出端，可直接驱动MOSFET功率管，两个输出间的死区时间通常为60ns200ns，取决于定时电容和定时电阻，从而限制每个输出的占空比小于50%；8脚为芯片的电源输入端。3 主电路设计3.1 控制电路控制电路主要由UCC2808及其外围电路构成，如图2所示。电阻R14、电容C7和芯片4脚组成振荡电路，设定电阻、电容值，使振荡器的振荡频率约为300kHz，推挽驱动工作频率为150kHz
8、；电阻R21、R23、电容C8和芯片3脚组成初级峰值电流采样网络，经由电流内环实施逐个电流脉冲检测；R13、V8和芯片4脚、3脚构成峰值电流控制模式下的斜率补偿网络；推挽驱动输出端接一个驱动电阻和下拉电阻直接驱动MOSFET场效应管，下拉电阻是防止功率管的静态击穿；R6、R7、C5、V5和芯片2脚组成电源控制网络，利用芯片2脚高电位关断输出的功能设置电源ON/OFF使能端。R6R7R8R13R14R9R15R17R18R16R23R21V5V8V9V10C5C7C8N2VCC图2 控制电路 3.2 功率变换电路图3为DC/DC升压型开关电源的功率变换电路。直流输入电压18V32V，经输入滤波器
9、后加到脉冲变压器（T1）的中心轴头端，由推挽式控制电路UCC2808产生交替工作的低压方波，驱动功率开关管（V9、V10）交替导通，在变压器初级绕组两端分别形成相位相反的交流电压，此电压经脉冲变压器升压到预定电压值，再经过脉冲整流滤波电路后，获得预设的高压直流电压200V。R15R17R18R16R19R20R21R26V11V12V13V14V10V9VCCC9C10T1L1C13-14COM+out图3 功率变换电路原理图功率开关管的漏源极间加RC吸收网络，用以抑制功率开关管关断瞬间因漏感引起的电压尖峰。输出整流采用全桥式整流电路，变压器次级仅为一个绕组，这样有利于升压变压器的绕制和小型化
10、，但由此会带来整流电路的功耗增加。由于输出电流小，输出电压高，所增加的功耗对整机效率不会造成太大的影响。3.3 稳压电路UCC2808构成的推挽变换器有两个反馈环，一个由接受输出电压采样信号的误差放大器构成的电压外环，一个由接受初级峰值电流采样信号的PWM比较器构成的电流内环。本方案采用光电耦合器TL181和可编程精密基准源TL431构成误差放大器，利用光耦对UCC2808的1脚控制，使主控电路的输出脉冲宽度敏感于输出电压的改变，从而实现输出电压的精确调整。同时，输入电压的变化和输出负载的变化可通过初级峰值电流采样电阻R21（见图3）及时、准确地检测变压器以及开关管中的瞬态电流，形成逐个电流脉
11、冲检测电路。只要电流脉冲达到了预定的幅度，电流控制回路就动作，使得脉冲宽度发生改变，实现输出电压的调整。也正因为电流模式拓扑具有逐周期限流功能的电流内环，解决了推挽电路的偏磁问题2。图4为电源的取样反馈电路，V15、R25组成稳压网络，稳压管取值180V，目的在于降低精密基准源TL431的阴极电压，确保TL431工作在安全电压之内。取样信号通过光耦反馈，可实现输入地和输出地的隔离。R25R26R27R28R29R30R31C15V15C16N3去1脚输入地输出地N4200V图4 取样反馈电路电源世界 2013/02 | 23 Research and Design研究与设计3.4 保护电路电源
12、的过流及短路保护电路如图5所示。电路对芯片1脚电位进行监测，设置安全阈值，在过流及短路发生时，V7导通后，迅速拉高3脚电位，关闭输出。在设计时，通过计算和多次试验调试，能使电源在深度过流（200%）及短路时呈现完全关闭状态，过流或短路解除后电源自动恢复工作。 R10R11R12V6V7C6C5芯片1脚输入地芯片3脚+5V图5 保护电路4 变压器设计在开关电源中变压器是核心器件之一，它对开关电源的效率、可靠性、稳定性、电源性能起着至关重要的作用。4.1 选择磁芯磁芯的有效输出功率根据工作频率、最大工作磁密、磁芯面积、窗口面积及绕组电流密度确定。本方案的额定输出功率为：P0=2000.075=15
13、(W) (2)假定变换器的效率为80%，则输入功率为：Pi=150.8=18.75(W) (3)根据传输功率与铁氧体磁芯尺寸的关系、电源的工作频率，选择TDK的PC40材质磁芯，型号为RM5。4.2 变压器初次级绕组匝数的计算变压器的初级绕组匝数可由下式确定。8i 1 maxpe( - ) 10= 7.91( )2minV V DNB f A =(4)式中：Np为变压器初级绕组匝数；Vimin是最低直流输入电压，取18V；V1是开关管的饱和导通压降，取0.5V；Dmax是最大占空比，考虑到死区时间，取最大占空比Dmax为0.9；B是磁通的最大变化范围，考虑到工作频率及变压器温升取2800G；f
14、为高频变压器工作频率（Hz），为150kHz；Ae为RM5铁芯磁路的有效截面积，其值为0.237cm2。计算所得的初级绕组匝数，取整数值8匝。变压器的次级绕组匝数Ns可由下式确定：max fs pimin 1= N 102.5( )-oVDVNV V (5)式中：Vo是输出电压值，此处为200V；Vf是整流二极管的正向压降，这里选择超快恢复二极管，Vf取值1V。计算所得的次级绕组匝数，取整数值102匝。4.3 线径选择初级绕组峰值电流由式（6）计算。opimin=1.56 =1.3(A)PIV(6)初级绕组电流有效值由式（7）计算。max2r p= =0.87(A)DI I (7)取初级绕组导
15、体的电流密度为8A/mm2，初级绕组所需导体的截面积为：2rc1= =0.1087mm8IA(8)考虑到导线的集肤效应，选双线并绕，则每股所需的导体截面积为0.05435mm2，查高强度漆包圆铜线电流负载表，选择线径为0.27的漆包线，铜芯截面积为0.05726 mm2，满足要求。次级绕组电流有效值可近似估算为 max2s o= =0.05(A)DI I (9)式中：Io为电源的输出电流（mA），取75mA。次级绕制时层数较多，考虑到导体的邻近效应及集肤效应，取次级绕组的电流密度为4 A/mm2，次级绕组所需导体的截面积为：2sc2= =0.0125mm4IA(10)查漆包线导线规格表，选择线
16、径为0.15的漆包线，铜芯截面积为0.01767 mm2，满足要求。4.4 校核窗口使用系数窗口使用系数由式（1 1）计算。cuow= =0.35AKA(11)式中：Acu是变压器所有铜线总的截面积（mm2），约为3.63mm2；Aw是磁心窗口面积（mm2），约为10.17 mm2。计算值Ko小于0.4，窗口可以绕下绕组。4.5 校核磁芯饱和在某些瞬态或故障情况下，变压器面临的最严重情况是输入电压和占空比同时达到最大值，此时：8imax maxp10= =5063(G)2eV DBN f A (12)式中：Vimax是输入电压最大值（V），为32V。依据B=2800G，磁芯的起点为-1400G
17、，则导通结束时磁芯将会上升5063G，即达到+3663G，PC40磁芯在100时饱和磁通密度为3900G，低于饱和值。24 | The World of Power Supply Feb 2013 Research and Design研究与设计5 实验结果在额定输入电压24VDC时进行测试，测试数据列于表1。开关管驱动波形、满载时漏源波形、整流输出波形、输出纹波电压波形分别表示在图6、图7、图8、图9中。表 1 开关电源的技术指标输出电压输出电流输出纹波电源效率电压调整率负载调整率电压精度工作温度+200VDC 75mA 60mV 80.99% 1% -40+85图6 开关管驱动波形 图7
18、满载时漏源波形图8 整流输出波形 图9 输出纹波电压6 结论本文介绍了推挽式升压型变换器的详细设计，从实验数据可以看出，该升压型开关电源具有良好的电压调整率和负载调整率，很低的输出纹波，较高的变换效率，很小的模块体积（57x37x13mm）。输入输出的隔离设计，扩大了电源的实用性和灵活性，同时还可通过电源输出端的串联，提高和改变输出电压值。参考文献1 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计.电子工业出版社 2006.2 Abraham I.Pressman 著 王志强等译.开关电源设计.电子工业出版社 2007.3 王先永，基于UC1846的推挽式开关电源的设计.中国科技论文在线.4 徐德高，金
19、刚.脉宽调制变换器型稳压电源.科学出版社作者简介靳丽，工程师，主要从事低压DC/DC开关电源的研究工作。戴永军，高级工程师，主要从事大功率开关电源和光伏发电应用技术研究工作。我国首家太阳能光热发电项目建成并将实现并网发电日前，我国第一家工业化运行的太阳能光热发电项目在广袤的柴达木盆地建成，项目已具备发电能力，不久将实现并网发电。这个总投资9.96亿元的50兆瓦光热项目位于青海省海西蒙古族藏族自治州德令哈市西出口，目前建成一期10兆瓦投资2.1亿元，全部项目计划2014年底建成。 据了解，项目的核心技术是“追日”，用关键技术控制安装在地面的上万块玻璃镜子，像向日葵一样追着太阳光将其反射到吸热塔上的吸热器中，将吸热器内的水转化成高温蒸汽，再通过管道传输推动汽轮发电机发电。柴达木盆地海拔地势高，阴雨天气少，日照时间长，辐射强度高，大气透明度好，属于太阳能资源充足地区，适合发展太阳能发电项目。仅德令哈地区适合太阳能开发的面积就达500平方公里以上。据介绍，太阳能光伏发电的光电转换率大约在14%-17%，而光热发电的光电转换率可达到20%，并且具备稳定、时间长等优点，对电网的冲击也小得多，同时，光热项目使用的原材料主要是钢材和平面玻璃，不会像光伏发电应用硅电池板会形成二次污染，因而是真正的清洁能源。世界范围内，光热发电在美国、西班牙等国家已获成功，有20兆瓦的大型商业化光热项目在运行。
