基于UC3843的高效DC-DC模块电源设计

　　DC/DC 模块电源是电子产品设计中广泛使用的二次电源， 它将一次电源单一的输出电压进行二次变换， 变成各种需要的电压， 提供给芯片。由于模块体积小， 所以功率密度要求高， 同时工作环境较为恶劣， 可靠性要求高； 模块电源一般要求工作温度为- 20 ~55℃ , MTBF（平均无故障时间）要求在20万小时以上。

　　本文提出了一种基于UC3843芯片DC/DC 模块电源的实现方案， 电路简洁， 工作可靠， 转换效率高。

　　1  UC3843功能及技术特性

　　UC3843是一种高性能固定频率电流模式控制器，专为直流至直流变换器低压应用而设计， 设计人员只需采用少量外部元件就能获得性价比高的解决方案。

　　UC3843具有自动前馈补偿、锁存脉宽调制、欠压锁定、低压启动等特点， 电流模式工作可到500kHz.器件提供8脚双列直插塑料封装和14脚塑料表面贴装封装（SO- 14）。

　　UC3843由振荡器、误差放大器、电流检测比较器、脉宽调制锁存器、参考稳压器等几部分组成， 内部结构如图1所示， 接口信号说明见表1.

 

图1  UC3843内部结构图

表1  UC3843芯片管脚说明（双列直插封装）

 

　　2  DC /DC转换电路设计

　　2. 1  设计目标

　　设计目标为DC /DC 转换模块， 48V 输入， 5V 单路输出， 额定功率为10W, 转换效率不低于75%.

　　2. 2  总体框图

　　转换模块由输入滤波电路、开关电路、输出滤波电路、电流检测电路、辅助电源、输出电压反馈电路和PWM 调制电路几部分组成， 如图2所示。

 

图2  转换模块总体框图

　　其中， 开关电路、输入滤波电路与输出滤波电路为主工作电路， PWM 调制电路作为整个模块的控制核心， 根据模块电源工作电流、输出电压反馈信号， 输出控制信号， 动态关断与导通开关管， 实现对输出的实时控制。

　　2. 3  主工作电路设计

　　由于模块输出功率较小， 所以开关电路采用单管反激电路设计。反激电路是由Buck Boost电路推演而得， 特点是结构简洁， 开关电路仅需四个器件： 变压器、开关管、整流管和输出电容。采用一个变压器， 可以实现多路输出。缺点是输出滤波电容上的电流脉动大，需要加大输出滤波电容， 抑制纹波。具体电路原理如图3所示。

 

图3  主工作电路原理

　　开关电路由T2、VT1、VD2 和C3 构成， 当开关管VT1开通时， 变压器T2 原边电感存储能量， 整流管VD2截止， 输出能量由电容C3供给； 当开关管VT1关断时， 变压器上存储的能量通过副边电感经VD2向外输出， 并给C3充电。通过调节VT1的开关占空比， 可以调节输出电压的高低。

　　输入滤波电路由L1、C1 构成， 主要功能是抑制模块的输入反灌电流， 减小模块对输入电源的干扰。

　　为输出较小纹波， 需要加大输出滤波电容， 或选取ESR小的滤波电容， 但这都会增加成本。在输出滤波电路中， 采用一个π型滤波器， 达到了减小纹波的效果。

　　2. 4  电流检测电路

　　电流检测电路由T1、VD1和R2、R3构成， 见图3。

　　T1是电流互感器， 通过VD1的整流， 可以在R3得到与主变压器原边电流成一定比例的直流脉动电压， 将这个脉动信号送给PWM 控制器， 实现了原边电流检测。通过调整R2 和R3 的阻值， 改变检测的比例关系， 可以得到合适的电流检测信号。

　　2. 5  辅助电源电路

　　如图3所示， 辅助电源电路由R1、T2、VD3和C7（ C7见图5）构成。在开机时， 输入电源通过R1直接给控制芯片供电； 当电源工作后， T2的辅助电源绕组输出能量， 通过VD3和C7的整流滤波， 给控制芯片提供能量。

　　2. 6  输出电压反馈电路

　　输出电压反馈电路由光耦D2和三端稳压器D3及其外围电路构成， 见图4.TL431 可以看成是一个开关， 当其参考端电压大于2. 5V 时导通， 否则关断。

　　R12、R13 为输出电压采样电阻， 当输出电压高于5V时， TL431的参考端电压高于2. 5V, 导通， 光耦二极管有电流流过， 三极管导通， R9上有高电平， 指示输出过压； 相反， 如果输出电压低于5V, 则R9上为低电平， 指示输出欠压。PWM 调制电路通过R9上的信号对主电路进行占空比调节， 从而使输出稳压。

 

图4  输出电压反馈电路

　　2. 7  PWM 调制电路

　　PWM 调制电路由电流型控制芯片UC3843 及其外围电路构成， 见图5.R8和C10为RC 振荡器， 控制主电路的工作频率和最大输出占空比； R6、R7 和C9为输出电压反馈调节器， 将输出电压反馈信号， 即R9上的电位按比例反馈到Com 端。UC3843将Is 端电位和Com 端电位的某一比例值进行比较， 即将原边电流检测信号和输出电压偏差信号进行比较， 控制脉冲输出， 从而实现稳压输出。原边电流每个脉冲信号都被检测， 所以电路具有很好的响应速度。

 

图5  PWM 调制电路

　　3  结论

　　本模块设计完成后， 进行了性能测试， 模块满载效率不低于80% , 输出纹波VP- P小于20mV （ 20MH z带宽） , 可靠性指标MTBF大于20万小时， 具有过流保护和短路保护功能， 达到了较高的设计水平， 完全满足实际使用需求。