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自制dcdc隔离电源设计

DC/DC电源电路又称为DC/DC转换电路,其主要功能就是进行输入输出电压转换。一般我们把输入电源电压在72V以内的电压变换过程称为DC/DC转换。常见的电源主要分为车载与通讯系列和通用工业与消费系列,前者的使用的电压一般为48V、36V、24V等,后者使用的电源电压一般在24V以下。不同应用领域规律不同,如PC中常用的是12V、5V、3.3V,模拟电路电源常用5V15V,数字电路常用3.3V等。结合到本公司产品,这里主要总结24V以下的DC/DC电源电路常用的设计方案。

DC/DC转换电路主要分为以下三大类:

(1)稳压管稳压电路。

(2)线性(模拟)稳压电路。

(3)开关型稳压电路

稳压管稳压电路电路结构简单,但是带负载能力差,输出功率小,一般只为芯片提供基准电压,不做电源使用。比较常用的是并联型稳压电路,其电路简图如图所示,

选择稳压管时一般可按下述式子估算:

(1) Uz=Vout; (2)Izmax=(1.5-3)ILmax (3)Vin=(2-3)Vout

这种电路结构简单,可以抑制输入电压的扰动,但由于受到稳压管最大工作电流限制,同时输出电压又不能任意调节,因此该电路适应于输出电压不需调节,负载电流小,要求不高的场合,该电路常用作对供电电压要求不高的芯片供电。

有些芯片对供电电压要求比较高,例如AD DA芯片的基准电压等,这时候可以采用常用的一些电压基准芯片如MC1403 ,REF02,TL431等。这里主要介绍TL431、REF02的应用方案。

TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref(2.5V)到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω,参考电压源误差1%,输出电流为1.0-100mA。最常用的电路应用如下图3-1所示,TL431的内部含有一个2.5V的基准电压,所以当在REF端引入输出反馈时,器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流,控制输出电压。如图3-1所示的电路,当R1和R2的阻值确定时,两者对Vo的分压引入反馈,若V o增大,反馈量增大,TL431的分流也就增加,从而又导致Vo下降。显然,这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定,此时Vo=(1+R1/R2)Vref。选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出,特别地,当R1=R2时,Vo=5V。

图3-1 并联稳压器电路图

图3-2 大电流并联稳压器电路图

TL431最大输出电流为100mA,在需要更大的电流时可以在图3-1基础上加一个三极管进行扩流,如图3-2所示。

使用上述设计方案时,需要注意的是,在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件,就是通过阴极的电流要大于1 mA ;电阻R1、R2必须选择低温漂高精度的精密电阻,这样才能保证输出电压的精度。将R1换为电位器时,通过调节R1的大小,可以实现输出电压连续可调,调节范围为2.5V-36V。

REF02是高精度的基准电压芯片。输入电压为+8V到+40V,输出电压为+5V,输出电压误差达到正负0.2%。常用的电路方案如下图3-3所示。在很多时候不仅需要正基准电压,还会用到负基准电压,因此在图3-3的基础上设计出能够同时出正负基准的一个电路,如图3-4所示。主要是将REF02输出的+5V基准通过反相比例放大电路输出一个-5V的基准电压。为了保证-5V基准电压的准确性,两个10K电阻需用高精度低温漂的精密电阻。

图3-3 REF02输出稳压电路

图3-4 REF输出正负基准电压电路

图3-3、3-4的电路方案除了REF02之外,很多电压基准芯片都可以用到,使用时可根据需要选择合适的基准电压芯片

常用的隔离DC/DC转换主要分为三大类:

图5-4 常见隔离式开关电源分类

这里主要介绍一种常用的单端反激式DC/DC变换电路,控制芯片采用常用的UC3842或UC3843。UC3842是高性能固定频率电流的控制器,主要用于隔离AC/DC、DC/DC转换电路。其主要应用原理如下:

电路由主电路、控制电路、启动电路和反馈电路4 部分组成。主电路采用单端反激式拓扑,它是升降压斩波电路演变后加隔离变压器构成的,该电路具有结构简单, 效率高, 输入电压范围宽等优点。

控制电路是整个开关电源的核心,控制的好坏直接决定了电源整体性能。这个电路采用峰值电流型双环控制,即在电压闭环控制系统中加入峰值电流反馈控制。电路电流环控制采用UC3842 内部电流环,电压外环采用T L431 和光耦PC817 构成的外部误差放大器,误差电压直接送到UC3842 的1 脚。误差电压与电流比较器的同相输入端3 脚经采样电阻采集到初级侧电流进行比较,从而调节输出端脉冲宽度。2 脚接地。R4, C5 是UC3842 的定时元件, 决定UC3842 的工作频率,。当UC3842 的1 脚电压低于1 V 时,输出端将关闭;当3 脚上的电压高于1 V 时,电流限幅电路将开始工作,UC3842 的输出脉冲中断。开关管上波形出现“打嗝”现象,从而可以实现过压、欠压、限流等保护功能。

此方案选择合适的变压器及MOS管可以把功率做的很大,与前面几种设计方案相比电路结构复杂,元器件参数确定比较困难,开发成本较高,因此需要此方案时可以优先选择市面上比较廉价的DC/DC隔离模块。