CN204578367U - 一种boost电路拓扑结构的开关电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种BOOST电路拓扑结构的开关电源，是基于电流控制模式、PWM芯片进行BOOST电路拓扑控制结构的开关电源；包括振荡与补偿电路、储能电感、PWM芯片、功率开关元件、整流滤波元件、电流电压取样及反馈元件。所述电源短时输出功率大、动态特性好、效率高、无工频变压器，开关电源输入24VDC、输出50VDC，输出功率200W，开关电源效率≥93%，且在大功率脉冲输出情况下能稳定可靠地工作。

Description

一种BOOST电路拓扑结构的开关电源

技术领域

本实用新型涉及一种BOOST电路拓扑结构的开关电源，特别涉及一种基于芯片UC2843的BOOST电路拓扑结构开关电源，是电流型控制的升压DC/DC电路，属电子技术应用领域。

背景技术

开关电源是电力及电子技术应用中的重要部件。开关电源是通过控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着设计与制造技术的不断进步，大功率开关晶体管、快恢复二极管及其它元器件的电压得到很大的提高，这为取消稳压电源中的工频变压器、发展高频开关电源创造了条件，出现了无工频变压器开关式直流稳压电源。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但增长速率各异，线性电源的成本在某一输出功率点上甚至高于开关电源，成为制造开关电源的成本反转点。随着开关电源技术的不断地创新，开关电源在小型化、轻量化、高效率等方面又迈进了一步，并逐步地向低输出功率方面转移，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

现有的无工频变压器开关电源（如图1）是采用功率半导体器件作为开关器件，通过周期性间断工作，控制开关器件的占空比来调整输出电压。图1中，进行功率转换的DC—DC变换器是开关电源核心部分，此外还有起动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路检测输出电压变化，与基准电压比较，再经过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的。现有无工频变压器开关电源不足之处主要有：

⑴器件问题：电源控制集成度不高，这就影响了电源的稳定性和可靠性，并相对增大了电源的体积；

⑵材料问题：开关电源中使用的磁芯、电解电容及整流二极管等相对较笨重，且能耗高；

⑶效率问题：电源的总体转换效率一般≤80%。

针对以上问题，基于开关电源中半导体开关管的接通或断开在理论上有最低损耗点的工件原理，有公开的依据谐振转换器在原理上又可以把开关元件的电压、电流波形做成零交叉，使内部损耗更低、转换效率高于80%的开关电源，并提高了开关电源的稳定性和可靠性、降低电源自身能耗及发热量，见发明专利《一种Boost变换器》（申请号：201410148895.3）。然而该申请并未提及实际转换效率测算值或实验值、以及基于芯片UC2843的BOOST电路拓扑结构开关电源。

发明内容

本实用新型的目的是针对背景技术所述不足，提供一种短时输出功率大、动态特性好、效率高的无工频变压器开关电源，所述开关电源输入24VDC、输出50VDC、输出功率＞70W、开关电源效率≥93%，且在大功率脉冲输出情况下能稳定可靠地工作。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下方案：

一种BOOST电路拓扑结构的开关电源，是基于电流控制模式、PWM芯片进行BOOST电路拓扑控制结构的开关电源；包括振荡与补偿电路、储能电感、PWM芯片、功率开关元件、整流滤波元件、电流电压取样及反馈元件；其特征在于：

所述PWM芯片是UC2843芯片；

所述振荡与补偿电路包括：电阻RT和电容CT组成的串联振荡电路、电阻Rf与电容C5串联后再与电容Cf并联的补偿电路；所述CT的一端与地连接、另一端与UC2843的RT/CT端连接；所述Cf的二端分别与UC2843的comp端及VFB端连接；

所述储能电感包括：电感L1；所述电感L1串联在输入电源与所述整流滤波元件之间；

所述功率开关元件包括：功率管Q3；所述功率管Q3的漏极连接有电源输出端的整流滤波元件；

所述整流滤波元件包括：二极管D5和电容C11；所述二极管D5串联在功率管Q3的漏极与电源输出端正极之间，所述电容C11并联在电源输出端正负极之间；

所述电压取样及反馈元件包括：串联在电源输出端正负极间的电阻R12和电阻R13；其中电阻R13上还有取样电压引出线连接至UC2843的VFB端；

所述电流取样及反馈元件包括：电流互感器l和取样电阻R8；所述电流互感器l的原边串联在功率管Q3的源极，所述取样电阻R8并联在电流互感器l的副边；原副边电流变比为70：1，电流互感器l的副边输出端经串联的二极管D4和电阻R3后连接至UC2843的ICS端。

如上所述的一种BOOST电路拓扑结构开关电源，其特征在于：所述芯片UC2843的外围电路还包括并联在输入电源二端的滤波电容C1和去耦电容C2、以及芯片UC2843的稳压供电电路；所述稳压供电电路包括线性稳压电路和滤波电容，所述线性稳压电路由电阻R2、稳压管D2和三极管Q2组成，所述线性稳压电路输出端经并联的陶瓷电容C7和电解电容C8组成的电容滤波后接至UC2843的电源输入Vcc端。

如上所述BOOST电路拓扑结构开关电源的工作原理是：主电路由提供UC2843芯片工作电压的线性稳压电路、功率开关元件MOSFET、高频整流及滤波电路组成；控制电路由电流、电压双闭环组成，电流环为内环，电压环为外环。

控制电路是以集成芯片UC2843为核心，由芯片内部产生的PWM脉冲信号来控制功率管Q3的开断。当功率管Q3导通时，输入电源Vcc对电感L1进行储能，此时输出滤波电容C11维持输出电流的稳定；当功率管Q3截止时，输入电源Vcc和电感L1同时维持输出电流的稳定，所以该电路具有升压的功能。为保持DC/DC变换器输出电压的稳定，将检测到的输出电压适当分压后与芯片UC2843内给定的基准电压（2.5V）进行比较。当输出电压Vo过高时反馈的电压过高，UC2843将减小占空比来降低Vo输出电压；当输出电压过低时，UC2843将增大占空比来提高输出电压Vo，从而来实现输出电压Vo的稳定。

整个稳压过程由二个闭环实施控制，其中：

闭环1：输出电压Vo通过R12和R13分压后，经R13取样并反馈给UC2843内部的误差放大器输入端VFB，用于同所述误差放大器内部的2.5V基准电压比较后产生误差电压，误差放大器控制由于负载变化造成的输出电压Vo的变化。

闭环2：由R8作为功率管Q3源极到公共端间的电流检测电阻，功率管Q3导通期间流经电流互感器l的电流在R8上产生的电压送至UC2843内部的比较器同相输入端ICS，与所述误差电压进行比较后控制调制脉冲的脉宽，从而保持稳定的输出电压，并由此控制电感L1的峰值电流值。

本实用新型的有益效果是：

本开关电源的短时输出功率大，动态特性好，效率高，采用输入24VDC，输出50VDC，输出功率200W，开关电源效率达到93%，并在大功率脉冲输出情况下能稳定可靠地工作。

附图说明

图1是无工频变压器的开关电源原理框图；

图2是本实用新型实施例基于电流控制模式UC2843芯片进行BOOST电路拓扑控制结构的DC/DC变换器控制框图；

图3是本实用新型实施例Boost升压开关稳压电源原理图。

附图3中的UC2843芯片封装管脚说明：管脚1—comp端，管脚2—VFB端，管脚3—ICS端，管脚4—RT/CT端，管脚5—地，管脚6—Vo端，管脚7—Vcc端，管脚8—Vref端。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型实施例作进一步说明：

如附图2、图3所示，本实用新型采用芯片UC2843作为高频开关电源变换器的控制核心，通过调节占空比来实现对输出电压V0的控制；功率开关元件采用MOSFET或IGBT作为主回路开关器件来实现电路的导通与截止，通过对电感L1的储能和能量的释放来达到升压的目的。整体采用电压闭环的控制方式可得输出稳定直流电压50V、输出电流4A，效率可达93%的大功率开关电源。

在Boost升压电路中，电感L1的作用是将电能和磁场能相互转换的能量转换器件，当功率管Q3闭合后，电感L1将电能转换为磁场能储存起来，当功率管Q3断开后，电感L1将储存的磁场能转换为电场能，且这个能量在与输入电源电压Vcc叠加后通过二极管D5和电容C11的滤波后得到平滑的直流电压Vo提供给负载，由于这个电压Vo是输入电源电压Vcc和电感L1的磁场能转换为电能的叠加后形成的，所以总输出电压Vo高于输入电压Vcc，既升压过程的完成。二极管D5是肖特基二极管，D5主要起隔离作用，即功率管Q3闭合时，二极管D5的正极电压比负极电压低，此时二极管D5反偏截止，使此电感L1的储能过程不影响输出端电容C11对负载的正常供电；因在当功率管Q3断开时，两种叠加后的能量通过二极管D5向负载供电，此时二极管D5正向导通，要求其正向压降越小越好，尽量使更多的能量供给到负载端。

参照附图3，本实用新型实施例中，主电路由提供UC2843芯片工作电压的线性稳压电路、功率管Q3、高频整流及滤波电路组成；控制电路由电流、电压双闭环组成，电流环为内环，电压环为外环。

输入部分：电容C1滤除输入电压的高频成分，电容C2为1000uF的电解电容，主要起去耦作用，使电源更加稳定，消除输入级的电压波动。

控制芯片供电部分：是通过线性稳压来提供Vcc，由R2、Q2和D2组成，给控制芯片UC2843一个稳定的供电电压。电容C7为陶瓷电容，主要滤除高频部分，C8为电解电容，给控制芯片UC2843供电。在起机时首先会给电容C8进行充电，当充电电压达到控制芯片UC2843的开启电压后，UC2843开始工作。

驱动部分：由电阻R6和D3组成。在PWM波驱动功率管Q3时，一般会在功率管Q3的栅极增加驱动电阻R6，原因是功率管Q3在栅极和源级之间有寄生电容，驱动电阻R6与此寄生电容组成RC电路，类似于有PWM波时通过驱动电阻R6给寄生电容进行充电，达到功率管Q3的阀值后导通。R6越小，开通速度越快，此时功率管Q3的开通损耗会减小。但是开通时刻过快会导致EMC难过，开通速度越快，高频分量携带的能量越大，所以开通损耗与EMC是一对矛盾的关系；如果R6太大，功率管Q3的开通越慢，损耗越大。所以此电阻的选择要权衡效率、EMC两方面，综合考虑，本实施例中，电阻R6选定为4.7K；D3的作用主要是加速功率管Q3的关断时间，减小关断损耗。其原理是当PWM为低电平时功率管Q3的栅极和源级寄生电容电荷直接走D3，不走R6，R6会减缓寄生电容的放电速度。

电流采样与反馈：由电流互感器l、电阻R8、R5、R4和D4组成。

电流互感器l的作用是将主功率回路的电流按70:1进行缩小，这样取样电阻的阻值和额定功率就比较容易选择。在电流互感器l和取样电阻R8之间加正向二极管D4和R8的原因是为了达到能量的泄放，起到保护取样电阻的作用。经过的按比例缩减的电流会在R4和R5上形成一个电压值（在功率管Q3导通期间线性增加），所述该电压值与芯片UC2843内部的电压进行比较，输出PWM波。

电流尖峰抑制电路：由R3和C6组成。

它们构成一个RC吸收电路，由于储能电感的作用，在功率管Q3开启和关闭时会形成大的尖峰电流，在检测电阻R4和R5上产生一个尖峰，如果该尖峰过大会导致芯片UC2843的输出Vo控制误导通，它们的主要作用就是将电压尖峰给滤掉。

整流滤波电路：由D5和C11组成，将输出至负载的高频脉动电流整流成直流。

由Boost拓扑结构特性可知，功率管Q3导通，储能电感L1储能，D5截止，输出能量由C11提供；功率管Q3关断，D5导通，储能电感L1放能，电容C11充电，输出能量由储能电感L1提供；根据储能电感L1的平衡关系，可以很容易的算出输入与输出之间的关系，是一个升压的拓扑。R9和C10组成一个RC吸收电路，二极管D5在截止时会产生一个较大的电压尖峰，如果不增加RC吸收电路，很有可能在关断时二极管D5被击穿，RC吸收电路可以很大程度上抑制关断电压尖峰。

输出电压采样反馈：R12和R13组成。

根据R12和R13阻值的选择，在R13两端形成一个2.5V的电压，反馈到芯片UC2843的VFB端（脚2）（芯片UC2843内部运放的一端接有一个2.5V的参考值，另一端接反馈脚VFB端）。开关电源是一个闭环控制系统，要想在输出电压固定在某一个值，必须得提供一个参考值（即UC2843的内部运放一端所接的2.5V参考值），如果输出电压Vo与该给定的参考值有误差，通过闭环控制系统的调节来尽量减小该误差，使输出电压稳定。

振荡电路RT和CT：由RT和CT组成。

由于UC2843的工作频率是根据外围部件来决定，所以RT和CT的选择决定了UC2843的工作频率。

补偿电路：由C5、Cf和Rf组成。

UC2843内部的误差放大器的输出端comp与反相输入端VFB之间外接补偿网络Rf、C5、Cf。 Rf、Cf、C5的取值取决于UC2843闭环系统的频响，通过改变Rf、Cf、C5的值可改变放大器闭环增益和频响。其本质就是改变开环传递函数的零极点，来满足闭环系统的增益余量和相位余量，如果余量不足会引起振荡，本实施例中，系统增益余量＞6dB，相位余量＞30°。有利于输出动态负载跳变时输出电压的过欠冲、恢复时间、带宽、输出超调等指标的提高。

斜坡补偿：由Q1和R1组成。

该电路的作用是防止发生次谐波振荡，使电路工作不稳定，通过改变芯片控制电压，可以有效防止次谐波发生。

参照图3，本实用新型BOOST电路拓扑结构的开关电源电路的工作原理如下：

采用直流输入，通过串联线性稳压给芯片UC2843提供15V的工作电压，在上电的瞬间，首先给电解电容C8进行充电，当C8充电电压达到芯片UC2843启动电压，芯片开始工作并输出300KHz脉冲信号至功率管Q3的栅极，从而驱动功率管Q3的开断，使电感L1得到一个交流电压，经整流滤波后便可得到直流稳定输出电压Vo。

芯片UC2843内部的误差放大器的输出端comp（脚1）与反馈输入端VFB（脚2）之间外接补偿网络Rf、Cf和C5。 Rf、Cf的取值取决于UC2843的环路电压增益、额定输出电流和输出电容，通过改变Rf、Cf的值可改变放大器闭环增益和频响。为使环路得到最佳补偿，可测试环路的稳定度，以测量输出电压Vo的瞬态响应来加以判断。UC2843的RT/CT端(脚4)接补偿网络至UC2843的ICS端（脚3），其作用是在R8的感应电压上增加斜坡的斜率，再与平滑的误差电压进行比较，防止谐波振荡现象，避免UC2843工作不稳定，同时改善电流型控制开关电压的噪声特性。当UC2843的ICS端（脚3）电压升高超过1V或输出端comp（脚1）电压降到1V以下，都可使PWM比较器输出高电平，造成PWM锁存器复位。根据UC2843关闭特性，可以很容易在电路中设置过压保护和过流保护。本电路中R8上感应出的峰值电流形成逐个脉冲限流电路，当ICS端（脚3）达到1V时就会出现限流现象，所以，整个电路中的电感磁性元件和功率开关管不必设计较大的余量，就能保证稳压电路工作可靠，降低成本。由于储能电感L1的作用，在功率管Q3开启和关闭时会形成大的尖峰电流，在检测电阻R8上产生一个尖峰脉冲，为防止造成UC2843的误动作，在R8取样点到UC2843的ICS端（脚3）间加入R3、C6滤波电路，R3、C6时间常数约等于电流尖峰的持续时间。串联栅极电阻R6将衰减由功率管Q3输入电容C9和在栅-源电路中的任何串联引线电感所产生的高频寄生振荡。在栅极电阻R6上并联一个反向二极管D3是为了加快功率管Q3的关断时间，使功率管Q3快速关断。考虑到功率管Q3的峰值电流比较大，如果直接采取电阻进行电流取样，由于电流过大会将电阻直接烧坏，所以在这里采取了一个70：1的电流互感器l来进行电流取样。通过功率管Q3的大电流经过电流互感器l变流后出来的电流会很小，这样取样电阻的阻值和额定功率就比较容易选择。在电流互感器l和取样电阻之间加正向二极管D4和R8的原因是为了达到能量的泄放，起到保护采样电阻的作用。

通过以上分析可以看出，⑴本实用新型采用芯片UC2843作为DC/DC控制芯片，其控制电路工作频率很宽，最高可达500KHz，并能实现电路的自动稳压调节；

⑵主电路采用变换器Boost电路，电感磁芯利用得更加充分，当输入24VDC，输出50VDC，输出功率200W时，本开关电源效率达到93%以上，具有较高的系统效率，并在大功率脉冲输出情况下能稳定可靠地工作；

⑶输出整流二极管采用肖特基整流二极管，正向压降低，反向恢复时间可以忽略不计，温升比较小。

以上仅为本实用新型的实施例，但并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。

Claims (2)

1.一种BOOST电路拓扑结构的开关电源，是基于电流控制模式、PWM芯片进行BOOST电路拓扑控制结构的开关电源；包括振荡与补偿电路、储能电感、PWM芯片、功率开关元件、整流滤波元件、电流电压取样及反馈元件；其特征在于：

所述PWM芯片是UC2843芯片；

所述振荡与补偿电路包括：电阻RT和电容CT组成的串联振荡电路、电阻Rf与电容C5串联后再与电容Cf并联的补偿电路；所述CT的一端与地连接、另一端与UC2843的RT/CT端连接；所述Cf的二端分别与UC2843的comp端及VFB端连接；

所述储能电感包括：电感L1；所述电感L1串联在输入电源与功率管Q3的漏极之间；

所述功率开关元件包括：功率管Q3；所述功率管Q3的漏极连接有电源输出端的整流滤波元件；

所述整流滤波元件包括：二极管D5和电容C11；所述二极管D5串联在功率管Q3的漏极与电源输出端正极之间，所述电容C11并联在电源输出端正负极之间；

所述电压取样及反馈元件包括：串联在电源输出端正负极间的电阻R12和电阻R13；其中电阻R13上还有取样电压引出线连接至UC2843的VFB端；

所述电流取样及反馈元件包括：电流互感器l和取样电阻R8；所述电流互感器l的原边串联在功率管Q3的源极，所述取样电阻R8并联在电流互感器l的副边；原副边电流变比为70：1，电流互感器l的副边输出端经串联的二极管D4和电阻R3后连接至UC2843的ICS端。

2.如权利要求1所述的一种BOOST电路拓扑结构开关电源，其特征在于：所述芯片UC2843的外围电路还包括并联在输入电源二端的滤波电容C1和去耦电容C2、以及芯片UC2843的稳压供电电路；所述稳压供电电路包括线性稳压电路和滤波电容，所述线性稳压电路由电阻R2、稳压管D2和三极管Q2组成，所述线性稳压电路输出端经并联的陶瓷电容C7和电解电容C8组成的电容滤波后接至UC2843的电源输入Vcc端。