基于UCC2808的推挽式升压型开关电源设计

UCC2808 内部结构方框图
UCC2808 为 8 脚 SO-8 封 装，1 脚 COMP 为 误 差 放 大 器 的输出端、PWM 比较器的输入端，芯片内部设有全周期软启
电源世界 2013/02 | 21
研究与设计
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动，当 1 脚电压达到最大值时启动软启动加以限制；2 脚 FB 为误差放大器反相输入端；3 脚为 PWM 比较器、峰值电流比 较器和过流比较器的输入端，通过该端子可改善模块电源的 动态特性；4 脚为振荡器的编程端。振动频率取决于定时电阻 R 和定时电容 C，振动频率的近似值可通过式 (1) 计算。
22 | The World of Power Supply Feb 2013
R25
输入地
输出地
图4
取样反馈电路
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3.4 保护电路
电源的过流及短路保护电路如图 5 所示。电路对芯片 1 脚电位进行监测，设置安全阈值，在过流及短路发生时，V7 导通后，迅速拉高 3 脚电位，关闭输出。在设计时，通过计 算和多次试验调试，能使电源在深度过流（200%）及短路时 呈现完全关闭状态，过流或短路解除后电源自动恢复工作。
COMP 1
CS 3 PEAK CURRENT COMPARATOR
8 14V
VDD
2.0V
0.5V
OSCILLATOR 7 OUTA
Q
1.2R
PWM COMPARATOR
0.8V
PWM LATCH
S R
Q VDD R
Q
T
Q Q
6 OUTB
2 控ຫໍສະໝຸດ Baidu芯片介绍
UCC2808 是由德州仪器推出的电流型脉宽调制芯片，是 一个 BiCMOS 系列推挽式、高速、低功率、脉冲宽度调制器。 芯片仅需很少的几个外围元件，即可实现 DC/DC 固定频率、 图1
(10)
查漆包线导线规格表，选择线径为 φ0.15 的漆包线，铜 芯截面积为 0.01767 mm2，满足要求。
4.4 校核窗口使用系数
窗口使用系数由式（11）计算。
Ko = Acu =0.35 Aw
4.2 变压器初次级绕组匝数的计算
变压器的初级绕组匝数可由下式确定。
Np= (Vi min -∆V 1) × Dmax ×108 =7.91(匝) 2∆B × f × Ae
fo = 1.41 RC
得预设的高压直流电压 200V。
V9 R19 C9 R21 R20 C10 VCC
T1
R15 R17 R18
V11 V12 V13 V14 L1
C13-14
+out
R26
(1)
R16
V10
式 中：fo 为 振 动 频 率（kHz）；R 为 定 时 电 阻（kΩ）， 取 值 范 围 在 10kΩ ～ 200 kΩ 之 间，R 值 不 要 小 于 10 kΩ， 以免引起系统的不稳定；C 为定时电容（µF），取值范围在 100pF ～ 1000pF 之间。 6 脚和 7 脚为交替的高电流输出端，可直接驱动 MOSFET 功 率 管， 两 个 输 出 间 的 死 区 时 间 通 常 为 60ns ～ 200ns， 取 决于定时电容和定时电阻，从而限制每个输出的占空比小于 50%；8 脚为芯片的电源输入端。 图3 功率变换电路原理图
COM
功率开关管的漏源极间加 RC 吸收网络，用以抑制功率开 关管关断瞬间因漏感引起的电压尖峰。输出整流采用全桥式 整流电路，变压器次级仅为一个绕组，这样有利于升压变压 器的绕制和小型化，但由此会带来整流电路的功耗增加。由 于输出电流小，输出电压高，所增加的功耗对整机效率不会 造成太大的影响。
3 主电路设计
研究与设计
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基于 UCC2808 的推挽式升压型开关电源设计
Push-pull Boost Switching-mode Power Supply Based on UCC2808
靳丽 1，戴永军 1，李惺 1，钱耀国 2 1. 中国电子科技集团第三十六研究所（浙江，嘉兴 314001）； 2. 浙江嘉科电子有限公司（浙江，嘉兴 314001） Jin Li1，Dai Yongjun1，Li Xing1，Qian Yaoguo2 1. No. 36 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation（Jiaxing City, Zhejiang 314001）； 2. ZheJiang JEC Electronic Co.,Ltd （Jiaxing City, Zhejiang 314001）；
200V
R16
R18
V10 R21
R23
V15
C15 R26
去1脚
R28 R27 C16 N4 R30 R31 R29
图2
控制电路
N3
3.2 功率变换电路
图 3 为 DC/DC 升压型开关电源的功率变换电路。直流输 入电压 18V ～ 32V，经输入滤波器后加到脉冲变压器（T1） 的中心轴头端，由推挽式控制电路 UCC2808 产生交替工作的 低压方波，驱动功率开关管（V9、V10）交替导通，在变压器 初级绕组两端分别形成相位相反的交流电压，此电压经脉冲 变压器升压到预定电压值，再经过脉冲整流滤波电路后，获
1 引言
推挽变换器是最早也是应用最广泛的拓扑之一。在低压 输入时，电路中两个对称的功率开关管每次只导通一个，相 对于其他电路，导通损耗更小 。本文基于 UCC2808 电流模 式控制芯片，采用推挽变换器拓扑，设计了一款 DC/DC 升压 型开关电源。电源的直流输入电压范围 18V ～ 32V，直流输 出电压为 200V，输出电流为 75mA。该电源具有极高的电压 调整率和负载调整率、高效率、低纹波，以及良好的电路保 护功能。
3.1 控制电路
控制电路主要由 UCC2808 及其外围电路构成，如图 2 所 示。电阻 R14、电容 C7 和芯片 4 脚组成振荡电路，设定电阻、 电容值，使振荡器的振荡频率约为 300kHz，推挽驱动工作频 率 为 150kHz； 电 阻 R21、R23、 电 容 C8 和 芯 片 3 脚 组 成 初 级 峰值电流采样网络，经由电流内环实施逐个电流脉冲检测； R13、V8 和芯片 4 脚、3 脚构成峰值电流控制模式下的斜率补 偿网络；推挽驱动输出端接一个驱动电阻和下拉电阻直接驱 动 MOSFET 场效应管，下拉电阻是防止功率管的静态击穿； R6、R7、C5、V5 和芯片 2 脚组成电源控制网络，利用芯片 2 脚高电位关断输出的功能设置电源 ON/OFF 使能端。
R15 R17 V9
R14 R9 R6 R7 V5 V8 R8 R13 C7 C8 C5
N2
的偏磁问题 [2]。图 4 为电源的取样反馈电路，V15、R25 组成稳 压网络，稳压管取值 180V，目的在于降低精密基准源 TL431 的阴极电压，确保 TL431 工作在安全电压之内。取样信号通 过光耦反馈，可实现输入地和输出地的隔离。
+5V R10 R11 V6 V7 C5 C6 R12
芯片3脚
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式中：Vo 是输出电压值，此处为 200V；Vf 是整流二极管 的正向压降，这里选择超快恢复二极管，Vf 取值 1V。计算所 得的次级绕组匝数，取整数值 102 匝。
4.3 线径选择
初级绕组峰值电流由式（6）计算。
=0.05(A)
(9)
式中：Io 为电源的输出电流（mA），取 75mA。 次级绕制时层数较多，考虑到导体的邻近效应及集肤效 应，取次级绕组的电流密度为 4 A/mm2，次级绕组所需导体的 截面积为：
Ac2 = Is =0.0125mm 2 4
4.1 选择磁芯
磁芯的有效输出功率根据工作频率、最大工作磁密、磁 芯面积、窗口面积及绕组电流密度确定。本方案的额定输出 功率为： P0=200×0.075=15(W) 假定变换器的效率为 80%，则输入功率为： Pi=15÷0.8=18.75(W) 率，选择 TDK 的 PC40 材质磁芯，型号为 RM5。 (3) 根据传输功率与铁氧体磁芯尺寸的关系、电源的工作频 (2)
摘 要：本文介绍了一款隔离式、升压型 DC/DC 开关电源。主拓扑使用推挽电路，以低功率电流模式 PWM 控制器 UCC2808 为控制核心。经过实验测试表明，该电源具有极高的电压调整率和负载调整率，高效率、低纹波，以及良好的电路保护功能。 关键词：UCC2808 推挽电路 光电耦合 Abstract: This article describes an isolated boost DC / DC switching-mode power supply. The main topology is a push-pull circuit. UCC2808 is used in this paper. The experiments showed that the power supply has a very high voltage regulation and load regulation, high efficiency, low ripple, as well as a good circuit protection function. Keywords: UCC2808, Push-pull circuit, Photocoupler ［中图分类号］TN86 ［文献标识码］A 文章编号：1561-0349（2013）02-0021-04
(11)
(4)
式中：Acu 是变压器所有铜线总的截面积（mm2），约为 3.63mm2；Aw 是磁心窗口面积（mm2），约为 10.17 mm2。 计算值 Ko 小于 0.4，窗口可以绕下绕组。
式中：Np 为变压器初级绕组匝数；Vimin 是最低直流输入 电压，取 18V；△ V1 是开关管的饱和导通压降，取 0.5V； Dmax 是 最 大 占 空 比， 考 虑 到 死 区 时 间， 取 最 大 占 空 比 Dmax 为 0.9；△ B 是磁通的最大变化范围，考虑到工作频率及变 压 器 温 升 取 2800G；f 为 高 频 变 压 器 工 作 频 率（Hz）， 为 150kHz；Ae 为 RM5 铁芯磁路的有效截面积，其值为 0.237cm2。 计算所得的初级绕组匝数，取整数值 8 匝。 变压器的次级绕组匝数 Ns 可由下式确定：
I p =1.56 Po =1.3(A) Vimin
(6)
初级绕组电流有效值由式（7）计算。
I r =I p ×
Dmax 2
=0.87(A)
(7)
芯片1脚
取初级绕组导体的电流密度为 8A/mm2，初级绕组所需导 体的截面积为：
Ac1 = Ir =0.1087mm 2 8
(8)
考虑到导线的集肤效应，选双线并绕，则每股所需的导
[1]
电流模式开关电源所需的所有控制和驱动电路。内部结构框 图如图 1 所示。
FB 2 OVERCURRENT COMPARATOR 0.75V 2.2V VDD OK S R VDD-1V S R 0.5V SOFT START VOLTAGE REFERENCE SLOPE=1V/ms
5 GND 4 RC
VCC
3.3 稳压电路
UCC2808 构成的推挽变换器有两个反馈环，一个由接受 输出电压采样信号的误差放大器构成的电压外环，一个由接 受初级峰值电流采样信号的 PWM 比较器构成的电流内环。本 方案采用光电耦合器 TL181 和可编程精密基准源 TL431 构成 误差放大器，利用光耦对 UCC2808 的 1 脚控制，使主控电路 的输出脉冲宽度敏感于输出电压的改变，从而实现输出电压 的精确调整。同时，输入电压的变化和输出负载的变化可通 过初级峰值电流采样电阻 R21（见图 3）及时、准确地检测变 压器以及开关管中的瞬态电流，形成逐个电流脉冲检测电路。 只要电流脉冲达到了预定的幅度，电流控制回路就动作，使 得脉冲宽度发生改变，实现输出电压的调整。也正因为电流 模式拓扑具有逐周期限流功能的电流内环，解决了推挽电路
输入地
体截面积为 0.05435mm2，查高强度漆包圆铜线电流负载表， 图5 保护电路 选择线径为 φ0.27 的漆包线，铜芯截面积为 0.05726 mm2，满 足要求。 次级绕组电流有效值可近似估算为
I s =I o ×
Dmax 2
4 变压器设计
在开关电源中变压器是核心器件之一，它对开关电源的 效率、可靠性、稳定性、电源性能起着至关重要的作用。