一款车载DC-DC开关电源的设计

　　引言
   　　车载开关电源是一种DC-DC变换器，它与普通的通讯电源有所不同，特殊的使用环境要求电源变换器能适应－25～50℃的高低温环境，能防止汽车高速运转时，汽车发电机给电源的浪涌和过大的冲击电流直接损坏电源。同时车载开关电源的设计受到蓄电池供电的制约，不能采用低成本的线性电源。由于开关具有电源效率高、体积小、质量轻等优点，应用非常广泛。本文采用的是开关变换的方式。
   　　1 48 V~12 V/10 A 车载开关电源方案
   　　本文设计的车载开关电源主要包括两大主体：主电路和控制电路。其系统总体框图如图1所示。主电路采用推挽变换器，控制芯片为UC3846。以下对主要电路进行设计说明。
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   　　1.1 输入电路设计
   　　在DC/DC 变换中，开关管的电流、电压值的快速上升下降，电感电压、电容的电流也迅速变化，这些都构成电磁干扰源（EMI）。为了减少干扰，所以需要在电源的输入端加滤波器。由图2所示的C1、C2、C3、C4、C5 和L004、L001 组成。
   　　车载电源用于汽车上，有可能受到较大瞬态高压，必须在输入级加上瞬态过压保护电路，由图2 中的压敏电阻S20K60 完成此功能。同时考虑到开机时，接入电源有可能有很大的浪涌电流，必须在输入端上接上一电阻来抑制浪涌，如图2 中的R6，当变换器正常工作后，场效应管Q2的门极电流达到开通电流使Q2 开通，R6 两端短接，避免了过多的功率消耗在电阻上。在场效应管为IRF3205（VDSS=55 V ID=110 A RDS（on）=8.0 mΩ）。为避免安装时接入蓄电池极性错误，损坏变换器，故在输入级上反向并联二极管D1 和D2。
   　　1.2 直流变换部分的设计
   　　直流变换部分是开关电源的主体部分。本文设计的开关电源采用的是推挽式，Q3、Q4 为功率管，TR1 为高频变压器，D7、D8、C14～C19、L1、L2等为高频整流电路，C10、R4 为开关管的缓冲回路。Q7～Q10 为场效应管驱动电路。
   
   
   
   　　1.3 开关电源控制电路的硬件设计
   　　控制电路采用UC3846，它是一种双端输出的电流控制型脉宽调制器芯片，其引出的脚1为限流电平设置端；脚2 为基准电压输出端；脚3为电流检测放大器的反相输入端；脚4 为电流检测放大器的同相输入端；脚5 为误差放大器的同相输入端；脚6 为误差放大器的反相输入端；脚7为误差放大器反馈补偿；脚8 为振荡器的外接电容端；脚9 为振荡器的外接电阻端；脚10 为同步端；脚11 为PWM 脉冲的A 输出端；脚12 为地；脚13 为集电极电源端；脚14 为PWM 脉冲的B输出端；脚15 为控制电源输入端；脚16 为关闭端。
   　　当差动电流检测放大器检测的是开关电流而不是电感电流时，由于开关管寄生电容放电，检测电流会有一个较大的尖峰前沿，可能使电流检测锁存和PWM 电路误动作，所以应该在电流检测输入端加滤波电路。振荡器的频率由8 脚外接电容和9 脚外接电阻共同决定，而输出频率公式决定：
   
   　　电流检测输入信号采用互感器L014 测定电流输入信号，然后由D3～D6、R6～R8 变成电压信号。电流测定放大器输出由内电路限定在3.5 V，因此电流测定信号输入的最高电压应低于1.2 V。
   　　电阻R27 和R29、VR2、R31 对输出电压进行取样，然后与参考电压VREF4 进行比较，运放U4B（LM2904N）将误差信号进行PI 调节。当输出电压过高时，运放输出端也变大，二极管D12 导通，三极管Q6 流过电流变大，则光耦器件DT2 的二极管发光强度变强，则光耦器件上三极管上流过的电流变大，则输入到芯片UC3846 的误差放大器反馈补偿端电流变大，芯片输出端的脉宽将变短。使输出电压降低。这样即达到了输出电压稳定的效果。
   　　运放U4A 和它的外围电路构成限流环节。运放两输入端的电容C25 和R26构成惯性环节。当输出电流大于10 A 时，D11 导通，影响光耦DT2 的发光强弱，从而改变输出占空比。
   　　2 实验结果
   　　根据上面的思路设计了如图3 所示的开关电源控制电路。测试了在不同情况下的工作波形，并在各种极限环境下进行了测试，实验结果表明，该电源设计合理，完全可以满足车载环境下的使用。
   
   　　3 结论
   　　随着我国经济的高速发展，汽车行业越来越壮大。车载开关电源将作为一个重要的电子设备被广泛应用，车载开关电源的需求量将日益增加。本设计基于把48 V 的电压转换为12 V 的常用电源，实验证明设计可靠。