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電動(dòng)車(chē)是目前零排放的機動(dòng)車(chē)，作為綠色交通工具，將在21世紀給人類(lèi)社會(huì )帶來(lái)巨大的變化。而直流無(wú)刷電機憑借著(zhù)其優(yōu)良的性能已經(jīng)成為電動(dòng)車(chē)電機領(lǐng)域的主流技術(shù)和發(fā)展方向。性能優(yōu)良的無(wú)刷電機系統離不開(kāi)性能優(yōu)良的控制模塊，而控制模塊的性能在很大程度上取決于供電電源的性能，所以高質(zhì)量的供電電源系統在整個(gè)電動(dòng)車(chē)系統中占有相當重要的位置。 直流無(wú)刷電機的控制模塊是采用微控制器的數字控制的電子系統�；赨C3842高性能電流模式PWM發(fā)生器控制的開(kāi)關(guān)電源適合應用于此類(lèi)系統。本設計通過(guò)小型高頻變壓器實(shí)現輸出和輸入的完全隔離，不僅提高了電源的效率，簡(jiǎn)化了外圍電路，也降低了電源的成本和體積。電源輸出電壓穩定，波紋小，不間斷，性能可靠。 1 單端反激式變換電路的基本結構 單端反激式變換的典型結構如圖1。單端是指變壓器的磁心僅工作在磁滯回線(xiàn)的一側；反激是指當開(kāi)關(guān)管導通時(shí)，在初級線(xiàn)圈中儲存能量，而次級線(xiàn)圈不通；當開(kāi)關(guān)管關(guān)閉的時(shí)候，初級線(xiàn)圈中的能量通過(guò)次級線(xiàn)圈釋放給負載。這是一種成本低的調整器，可以做到輸入輸出部分的完全隔離，有較好的電壓調整率。 2 UC3842芯片的性能特點(diǎn) UC3842芯片是Unitrode公司的產(chǎn)品，是一種高性能的單端輸出式電流控制型脈寬調制器芯片。其原理框圖如圖2所示。 由5V基準電壓源、控制占空比調定的振蕩器、電流測定比較器、PWM 鎖存器、高增益E/A誤差放大器和適用于驅動(dòng)功率MOSFET的大電流推挽輸出電路等組成。其主要特點(diǎn)是： ·外接元件少，外圍電路簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。 ·無(wú)需輸入變壓器，起動(dòng)電流小(＜1 mA)。 ·具有精密的電壓基準源(±1%)。 ·大電流(1A)PWM 輸出級，可直接驅動(dòng)功率MOS管。 ·有欠電壓封鎖和過(guò)電流保護功能。 ·工作頻率可達500 kHz。 UC3842芯片能同時(shí)滿(mǎn)足較好的電氣性能和較低的成本，因而被廣泛地用于20～50 W 的小功率開(kāi)關(guān)電源。圖中8腳是其內部基準電壓(5 V)；7腳是其電源端，芯片工作的開(kāi)啟電壓為16V，欠壓鎖定電壓為10 V；4腳接振蕩電路，產(chǎn)生所需頻率的鋸齒波，RT接在4、8腳之間，CT接在4腳和地之間。1和2腳為補償端和內部電壓比較器的反相輸入端；從3腳引入的電流反饋信號與1腳的電壓誤差信號比較，產(chǎn)生一個(gè)PWM(脈寬調制)波，從6腳(輸出端)輸出該信號，控制功率器件的通斷。3腳為電流檢測輸入端。由于電流比較器輸入端設置了1 V的電流鉗位，當電流過(guò)大而使電流檢測電阻R13(如圖3所示)。上的電壓超過(guò)1 V(即3腳電平大于1 V)時(shí)，將關(guān)斷PWM脈沖，從而達到限流保護的目的。 3 開(kāi)關(guān)電源的電路設計 本文以UC3842為核心控制部件，設計了DC48 V輸入、DC12 V輸出的單端反激式開(kāi)關(guān)穩壓電源。開(kāi)關(guān)電源控制電路是一個(gè)電壓、電流雙閉環(huán)控制系統。變換器的幅頻特性由雙極點(diǎn)變成單極點(diǎn)，因此增益帶寬乘積得到了提高，穩定幅度大，具有良好的頻率響應特性。 主要的功能模塊包括：?jiǎn)?dòng)電路、反饋電路、保護電路、整流電路。以下對各個(gè)模塊的原理和功能進(jìn)行分析。開(kāi)關(guān)電源電路原理圖見(jiàn)圖3。 3.1 啟動(dòng)電路 如圖3，電源通過(guò)啟動(dòng)電阻R，給電容E2充電，當E2電壓達到UC3842的啟動(dòng)電壓門(mén)檻值時(shí)，UC3842開(kāi)始工作并提供驅動(dòng)脈沖，由6端輸出推動(dòng)開(kāi)關(guān)管工作。隨著(zhù)UC3842的啟動(dòng)，R3的工作也就基本結束，余下的任務(wù)交給反饋繞組，由反饋繞組產(chǎn)生電壓來(lái)為UC3842供電。由于48 V 的輸入電壓，超過(guò)了UC3842的工作電壓，為了避免意外，用D3穩壓管限定UC3842的輸入電壓。否則，將出現UC3842被損壞的情況。 3.2 過(guò)流、短路保護電路 如圖3，當負載電流超過(guò)額定值時(shí)，場(chǎng)效應電流增加，R13上的電壓反饋至CSEN(3腳)，通過(guò)內部電流檢測比較器輸出復位信號，最后導致開(kāi)關(guān)管關(guān)閉。只有在下一個(gè)基準脈沖到來(lái)時(shí)，才可能重新開(kāi)啟開(kāi)關(guān)管，而不可能出現開(kāi)關(guān)管電流在恒流值左右振蕩的情況。 當出現輸出短路時(shí)，輸出電壓會(huì )下降，同時(shí)為UC3842供電的反饋繞組也會(huì )出現輸出電壓下降。當輸入電壓低于10 V時(shí)，UC3842停止工作，沒(méi)有觸發(fā)脈沖輸出，使場(chǎng)效應管截止。短路現象消失后，電源重新啟動(dòng)，自動(dòng)恢復正常工作。這就是俗稱(chēng)的電路“打嗝”現象。 3.3 精密反饋電路 當開(kāi)關(guān)管導通時(shí)，整流電壓加在變壓器初級繞組上的電能變成磁能儲存在變壓器中，開(kāi)關(guān)管截止后，能量通過(guò)次級繞組釋放到負載上。由公式： Uo=(Ton/(nToff))E 可以得出，輸出電壓和開(kāi)關(guān)管的導通時(shí)間及輸入電壓成正比；與初，次級繞組的匝數比及開(kāi)關(guān)管的截止時(shí)間成反比。 反饋電路采用精密穩壓器TL431和線(xiàn)性光耦PC817。利用TL431可調式精密穩壓器構成誤差電壓放大器，再通過(guò)線(xiàn)性光耦對輸出進(jìn)行精確的調整。 如圖3，輸出電壓經(jīng)R11，R12分壓后得到的取樣電壓，與TL431中的2.5 V帶隙基準電壓進(jìn)行比較。當輸出電壓出現正誤差，取樣電壓＞2.5 V，TL431的穩壓值降低，光耦U2控制端電流增大，UC3842的反饋端(VFB)電壓值增大，輸出端的脈沖信號占空比降低，開(kāi)關(guān)管的導通時(shí)間減少，輸出電壓降低；反之，如果輸出電壓出現負誤差，UC3842的輸出脈沖占空比增大，輸出電壓增高，達到穩壓目的。同時(shí)，整個(gè)電源系統的輸入、輸出被隔離，UC23842受到的干擾減少。 在對電壓精度要求高的場(chǎng)合，會(huì )把電壓反饋信號從補償端(CMOP)輸入，不用UC3842的內部放大器，因此反饋信號的傳輸縮短了一個(gè)放大器的傳輸時(shí)間，使電源的動(dòng)態(tài)響應更快。 3.4 整流濾波電路 輸出整流濾波電路直接影響到電壓波紋的大小，影響輸出電壓的性能。開(kāi)關(guān)電源輸出端中對波紋幅值的影響主要有以下幾個(gè)方面：
3.5 導通時(shí)序 如圖4所示，在負載不同的時(shí)候，其時(shí)序電路是不一樣的。在滿(mǎn)載時(shí)絕大多數始終周期是導通的，也就是導通的頻率高，中等負載會(huì )跳過(guò)一部分始終周期，而輕載時(shí)要跳過(guò)大部分的始終電路，只有少數始終周期是導通的，這樣導通周期的頻率是很低的。圖中，Uo是輸出電壓，CLK是UC3842的基準脈沖，D是UC3842的輸出脈沖，Id是流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流，Ud是變壓器初級繞組下端(開(kāi)關(guān)管MOSFET漏級)的電壓。 4 實(shí)驗結果 為了檢驗該開(kāi)關(guān)電源的性能，筆者按上述應用電路進(jìn)行了測試，得到開(kāi)關(guān)電源的輸出波形圖以及不同輸人電壓和不同負載時(shí)的輸出電壓如圖5所示。 表1為輸入電壓在30"48 V波動(dòng)時(shí)，輸出電壓的波動(dòng)情況。表2是負載電流在10"500 mA變化時(shí)，輸出電壓的波動(dòng)情況。 5 結論 UC3842是一種高性能的固定頻率電流型控制器，單端輸出，可直接驅動(dòng)晶體管和MOSFET，具有管腳數量少、外圍電路簡(jiǎn)單、安裝與調試簡(jiǎn)便、性能優(yōu)良、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。本設計中充分使用了UC3842的控制功能，實(shí)現了對輸出電壓的負反饋調節以及各種保護機制。這種開(kāi)關(guān)電源結構簡(jiǎn)單，性能穩定，實(shí)現了對電動(dòng)車(chē)無(wú)刷電機控制模塊的供電，對提高電動(dòng)車(chē)整體性能大有益處。 |
