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基于UC2844的单端反激电源原理及波形

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此SIZE-D驱动电流较小,Vcc负载比新制动单元小,SIZE-DVcc电压下降慢。

③ 变压器有一路绕组给Vcc供电,新制动单元Vcc限流电阻为10Ω,SIZE-D为36Ω,新制动单元Vcc

供电电流比SIZE-D大,这一点新制动单元优于SIZE-D。 综上,针对(1)、(2)做对比试验 (1) 针对Vcc滤波电容试验的波形如下 新制动单元,滤波电容加大为100uF,启动时Vcc最低为。 SIZE-D滤波电容减小为47uF,启动时Vcc最低为,仍高于47uF滤波电容值的新制动单元。 (2)更改新制动单元MOS驱动电阻为100Ω,启动时Vcc最低仍为11V,表明此电阻对Vcc电压无影响。原因:MOS门极电压升到15V所需要的电量是一定的,亦即UC2844输出的能量是一定的,驱动电阻只是决定了电压上升的快慢,并不改变UC2844负载大小

2、UC2844 Pin1(电压反馈)波形

稳定工作时的波形(高分辨率模式)

CH1:UC2844 Pin1 CH2:UC2844 Pin3 CH3:MOS驱动

从上面的波形可以看出,UC2844 Pin1电压波动很大,有约1ms的时间为0V,即反馈光耦U10(CTR为200~400)处于饱和导通的状态,这段时间内MOSFET驱动完全关闭。从原理图上看,UC2844的Pin1与Pin8之间没有接电阻,光耦次级侧电流IC完全靠UC2844 Pin1提供,但是UC2844 Pin1的拉电流能力(误差放大器输出为高电平时的输出电流)很小(如下图所示),导致光耦次级IC很小,当主反馈电压偏高时,光耦IF增大,使得初、次级满足IF*CTR>IC,光耦饱和导通。

UC2844内部误差放大器特性

尝试在UC2844 的Pin1、Pin8之间接电阻,当Pin1电压低于Pin8电压(5V)时,Pin8可以通过此电阻给光耦次级侧提供电流,增大Ic,使光耦不进入饱和导通状态。通过实验对比可以看出加电阻确实可以使光耦一直工作在放大区,这样可以明显减小输出电压的纹波(实验中测试的是UC2844电源Vcc)

(1)加电阻2kΩ,稳态时波形如下,UC2844 Pin1电压在左右 CH1:UC2844 Pin1 CH2:MOS驱动

(2)加电阻Ω,稳态时波形如下,UC2844电源Vcc纹波150mV,Pin1电压2V左右 CH1:UC2844 Pin7(Vcc) CH2:MOS驱动 CH3:UC2844 Pin1

(3)未加电阻时波形如下,UC2844电源Vcc纹波高达530mV

CH1:UC2844 Pin7(Vcc) CH2:MOS驱动 CH3:UC2844 Pin1

三、 电动汽车低压驱动板开关电源

低压驱动板上有2两路开关电源,输入电压都是24V低压,但负载不同,电路设计不一样。 1、开关电源1启动波形

(1)第一个驱动,持续时间长,电流检测电阻上的电压已经达到。由于输入电压只有24V,变压器匝间电容几乎不会引起MOSFET开通时的电流尖峰

CH1:电流检测电阻电压 CH2:Isense电压

2、稳态时的波形(DCM)

由于变压器有漏感,等效为与变压器原边绕组串联,MOS开通时漏感会储存能量,当MOS关断时漏感储存的能量不能传递到副边,此部分能量需要寻找泄放途径,就会在MOS电压上形成尖峰。在DCM状态,电流较小,因此MOS关断时尖峰电压较低,如下图为49V CH1:MOS管电压Vds CH2:次级侧+17U整流二极管电压

DCM状态,当次级侧整流二极管续流结束时,初级侧励磁电感和MOSFET的输出电容Coss(D、S之间电容)谐振,励磁电感感量大,所以谐振幅度大,频率低(f=1/(2π*√LC)),引起谐振的过程如下:

(1)首先,在副边传递能量的过程中,MOS管上的电压是输入电压与副边反射电压之和。由于两者都是稳定的,所以前期电压是稳定的。

(2)当能量传递完成的时候,副边相当于开路,原边也相当于开路,那么原边电路等效为一个输入电源,一个变压器绕组,一个MOS管输出电容,即电源+电感+电容,由于电容上的电压与电源电压不相等,所以只能发生谐振。振荡开始阶段,MOS管输出电容上的电压(输入电压Vin与反射电压Vr之和)比输入电压高,MOS管输出电容开始通过变压器原边给输入电源充电,所以MOS管DS电压开始降低,由于RCD钳位电路的存在,这个振荡是阻尼振荡,幅度越来越小,直到Vds稳定在输入电源电压。谐振电压通过变压器耦合到次级侧整流二极管

CH1:MOS管电压 CH3:+17U整流二极管电压

3、CCM状态

红线左边为整流二极电源启动时,电路处于CCM状态,负载电流较大, MOSFET关断时尖峰电压较高,如下图为63V。MOS

管续流,右边则是续流管关断期间副边二极管一直在导通,原边MOS管电压被钳位在输入电压与反射电压之和,因此MOS管关断

结束,初级侧发生谐振 后不会出现DCM时的谐振

CH1:MOS管电压Vds CH2:次级侧+17U整流二极管电压

Vin Vin+V

由于MOSFET关断时会有很高的尖峰电压,如果不采取措施,此电压可能会击穿MOSFET,因此电路中都会加RCD吸收,如下图中红色选中器件D30、C71及与C71并联的4个电阻。

开关电源1 MOS管RCD吸收电路

从下图波形可以看出,当MOS导通时D30承受约40V的反压;MOS关断瞬间, Vds电压上升到电源电压与反射电压之和(即Vin+Vr),此时D30导通,漏感能量经过D30给电容C71充电。

CH1:D30电压 CH3:MOS管电压Vds

稳态时(DCM状态)D30波形 左图红框展开波形

D30导通

电容C71上的电压波形如下,在17V左右波动。D30导通时C71吸收漏感能量,电压升高,漏感能量释放完毕后D30截止,C71电压逐渐降低,直到D30再次导通

CH1:D30电压 CH3:电容C71两端电压

关于RCD吸收电路的原理与分析计算,请参考附件

4、开关电源2反馈电路

(1)TL431等效电路图如下

电压反馈的稳压原理:当主反馈电压(+5V)升高时,经电阻R125、R155分压后接到TL431的参考输入端(误差放大器同向输入端)的电压升高,使得TL431阴、阳极间电压Vka降低,进而光耦的二极管电流IF变大,于是光耦集射极动态电阻变小,集射极间电压变低,即UC2844的Pin1电压变低,使得MOSFET功率管的导通时间变短,于是传输到次级线圈的能量减小,使输出电压降低。参考波形如下:

稳态时的波形,数学函数为CH1-CH2,即R150上的电压,最高825mV,最低680mV,二极管导通压降为,则可以算出流过光耦二极管的电流IF最高,最低

CH1:+5V CH2:U22 Pin1 CH3:U22 Pin2(Vka) MATH:CH1-CH2(R150压降)

CH1:+5V CH2:U22 Pin1 CH3:U22 Pin2(Vka) CH4:MOS驱动

(2)电源启动时反馈电路波形

Vka有一个电压下降的点,此时主反馈电压还未达到5V,TL431还未开始工作;电阻R150压降218mV,则TL431电流IKA为,光耦U22二极管压降,未导通;之后IKA开始显著增加

主反馈电压达到5V时,TL431开始工作,光耦U22初级侧导通,二极管压降为1V,次级侧Vce开始下降,此时R150压降为470mV,则TL431电流IKA为1mA

CH1:+5V CH2:U22 Pin1 CH3:U22 Pin2(Vka) CH4:U22 Vce MATH:CH1-CH2(R150压降)

启动时波形

Vka有一个电压下降的点,此时电阻R150压降218mV

CH1:+5V CH2:U22 Pin1 CH3:U22 Pin2(Vka) CH4:U22 Vce MATH:CH1-CH2(R150压降)

主反馈电压达到5V时,光耦U22次级侧Vce开始下降,此时R150压降为470mV

CH1:U22 pin1 CH2:U22 pin2(Vka) CH4:U22 Vce MATH:CH1-CH2(光耦U22二极管压降)

CH1:U22 pin1 CH2:U22 pin2(Vka) CH4:U22 Vce MATH:CH1-CH2(光耦U22二极管压降)

Vka有一个电压下降的点,此时光耦U22二极管压降

光耦U22次级侧Vce开始下降时初级侧二极管压降为1V

对比看开关电源1反馈电路

启动时的波形如下,可以看出当+17U-电压上升到10V左右时光耦U8次级侧电压就开始下降,一段时间后上升并再次下降,此电压波动说明当+17U-电压上升到10V左右时,光耦初级侧就开始有电流 CH1:+17U-电压 CH2:U8 Pin2(Vka) CH3:U8 Pin4(幅值不准)

启动时波形

从TL431的内部等效图可以看出,当参考输入端电压低于时,IKA可以认为是零,而+17U-电压为10V时,TL431参考端电压远低于,那么流过光耦初级侧的电流从哪里来?唯一的路径就是经过R55、C85,再到R57。验证过程如下:

开关电源输入端不供电,用稳压源给+17U-/-8U-供电,量测如下电压波形

(1)稳压源供电5V,R55上最高有的电压,电流最高;R54上最高有的电压,电流最高,即电流全部流过R55、C85,此时光耦二极管未导通

CH1:R55右端 Ch2:R55左端 Math:CH1-CH2(R55电压)

R55上的电压波形

CH1:R54左端 Ch2:R54右端 Math:CH1-CH2(R54电压)

R54上的电压波形

(2)稳压源供电10V,R55上最高有的电压,电流最高;R54上最高有的电压,电流最高。电流全部流过R55、C85

CH1:R55右端 Ch2:R55左端 Math:CH1-CH2(R55电压)

R55上的电压波形

CH1:R54左端 Ch2:R54右端 Math:CH1-CH2(R54电压)

R54上的电压波形

(3)去掉C85,稳压源10V供电,R54基本没有电压降(尖峰处是因为机械开关的抖动) CH1:R54左端 Ch2:R54右端 Math:CH1-CH2(R54电压)

从以上实验可以看出,开关电源启动时,由于C85的存在,主反馈电压升高到10V时,经过R54、R53//U8、R55给C85充电,导致U8初级侧有电流,引起次级侧电压波动。去掉C85后给开关电源1输入供电,启动时波形如下,可以看出当+17U-电压升高到25V时光耦次级侧电压才开始下降

CH1:+17U-电压 CH2:U8 Pin2(VKA) CH3:U8 Pin4

CH1:+17U-电压 CH2:U8 Pin2(VKA) CH3:U8 Pin4

从上图可以看出去掉C85后,当主反馈电压达到5V,TL431开始工作时VKA有明显的抖动,造成光耦次级侧电压波动较大,这样会导致整个电压反馈环路的不稳定,输出电压波动较大,这样C85在电路中的作用也体现出来了,就是用来做环路补偿的。关于环路补偿的详细分析请参考如下附件

基于UC2844的单端反激电源原理及波形

此SIZE-D驱动电流较小,Vcc负载比新制动单元小,SIZE-DVcc电压下降慢。③变压器有一路绕组给Vcc供电,新制动单元Vcc限流电阻为10Ω,SIZE-D为36Ω,新制动单元Vcc供电电流比SIZE-D大,这一点新制动单元优于SIZE-D。综上,针对(1)、(2)做对比试验(1)针对Vcc滤波电容试验的波形如下新制动单元,滤波电容加大为100u
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