基于移動基站蓄電池組的開關電源設計

程大偉,程 勇

(山東科技大學 信息科學與工程學院,山東 青島266510)

移動基站中的備用電源為24節(jié)蓄電池組成的48 V蓄電池組提供的直流電源。當市電正常供應時，蓄電池組處于充電（均充或浮充）狀態(tài)。若市電掉電時，蓄電池組作為備用電源來為基站內設備供電。由于基站內的監(jiān)控和防盜設備多需要12 V、5 V以及3.3 V的供電電源，如果通過市電轉化，當市電掉電時，這些監(jiān)控和防盜設備就會停止工作，就無法對基站內的工作情況進行實時監(jiān)控。

若以基站內蓄電池組為電壓，就能夠保障監(jiān)控和防盜設備的持續(xù)工作。但是，基站中的每節(jié)蓄電池的輸出電壓會隨著充放電過程的進行而不斷變化。在蓄電池浮充狀態(tài)下，單節(jié)電壓可達到2.4 V以上，整組電壓可達到60 V以上。基站中監(jiān)控系統(tǒng)對單節(jié)蓄電池的電壓下限以及整組電壓下限進行了限定,即當單節(jié)蓄電池電壓低于1.8 V或整組蓄電池電壓低于44 V時，蓄電池停止工作。本文提出一種基于UC3842的具有較低紋波系數(shù)電壓輸出的開關電源電路設計。

1 UC3842介紹

UC3842是一款高性能單端輸出式電流控制脈寬調制芯片。UC3842主要由5.0 V基準電壓源、占空比調節(jié)振蕩器、降壓器、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功率 MOSFET的大電流“圖騰柱”輸出電路等構成。其內部結構如圖1所示。

UC3842啟動后，內部脈寬調制電路產生的脈沖信號從6號腳輸出，控制開關功率管的開斷。開關功率管導通時，產生的電流檢測信號經(jīng)采樣電阻轉化成的低壓直流反饋信號送入3號腳，檢測電流由1號腳誤差放大器的輸出電壓控制。檢測電流可由如下公式得到：

由于電流檢測比較器的反相輸入端箝位在1 V，所以檢測電流的最大值：Is(max)=1/Rs。低壓直流信號送入2號腳的誤差放大器，與內部2.5 V基準電壓比較，產生的誤差信號送入脈寬調制電路，實現(xiàn)脈沖信號的脈寬調制，從而穩(wěn)定輸出電壓。若輸入電壓由于負載變化等原因升高，2號腳的反饋信號也升高，脈寬調制電路調節(jié)輸出的脈沖信號寬度變窄，減小了開關功率管的導通時間，使輸出電壓降低。輸出電壓降低時，同理。

振蕩器的振蕩周期決定脈沖信號的工作周期，而振蕩器頻率由定時元件RT和CT的值決定，其振動頻率計算公式為：

2 主體電路結構分析

結合UC3842的特性，以及移動基站中蓄電池組的供應電壓，本設計的主體電路設計如圖2所示。

2.1 UC3842的啟動

Vin通過R8為C5提供充電電流，當C5的充電電壓達到UC3842的啟動門限電壓16 V時，UC3842開始工作，并向外提供脈沖。R8的取值直接影響UC3842的開啟時間，由于R8只負責UC3842的啟動，所以其功率不需要太大，2 W即可。理論上UC3842的啟動電流為1 mA左右，在實際設計中，以1.5 mA～2 mA設計。R8的計算公式如下：

2.2 開關管控制

由于MOS管都是利用多數(shù)載流子導電，不存在少子導電和多余載流子負荷表現(xiàn)出來的存儲時間，所以其動作快、頻率高，不存在二次擊穿。

MOS管Q1導通時，其柵極電容儲能，當 MOS管關斷時，柵極電容的儲能要通過R9泄放。但柵極電容上的儲能泄放速度緩慢，這將導致在儲能泄放過程中MOS管溫度升高，且有較大的功率損耗。若在R9上并聯(lián)二極管D7，這將使柵極電容儲能幾乎無阻礙地迅速泄放，到達快速冷卻MOS管的效果。

2.3 單端反激變換器

單端反激原理：當開關管導通時，變壓器的初級線圈儲存能量，只有當開關管關斷時，變壓器初級線圈所儲存的能量才通過次級線圈傳遞給負載。

電路中所設計的單端反激變換器工作原理：當Q1導通時，T1的初級線圈儲存能量，且初級線圈的電壓為上正下負。此時T1次級線圈的電壓為上負下正，但是由于D1和D5的存在，T1的次級線圈上并未有電流流過，即初級線圈的能量并未傳遞給次級線圈。當Q關斷時，T1初級線圈的電壓極性顛倒，此時次級線圈為上正下負，二極管導通。這樣初級線圈儲存的能量通過次級線圈傳遞給負載。

2.4 RCD吸收箝位電路

脈沖變壓器T1的初級線圈所產生的磁力線不能全部通過次級線圈，因此而產生漏感現(xiàn)象，加之其他分布參數(shù)的影響，反激式變換器在開關管Q1關斷瞬間會產生上百伏的尖峰電壓，使開關管漏極承受較高的開關應力，這將嚴重威脅Q1的正常工作，必須采取措施對其進行抑制，RCD箝位電路以其電路結構簡單、成本低廉的特點而得到廣泛的應用。

本文所提出的設計中，R1、C2和D4構成了RCD箝位電路，用來吸收Q1關斷瞬間產生的尖峰電壓。當Q1關斷時，變壓器T1上的漏感儲存在箝位電容C2上，并在R1、C2回路中，由R1消耗掉儲存在C2上的漏感能量。這樣就有效地抑制了Q1關斷瞬間產生的尖峰電壓，大大減少了開關管的電壓應力。

2.5 注意

若UC3842外圍電路元器件參數(shù)選取不當，會造成Q1和R16的溫度過高。設計反激換器的時候要注意同名端的反向以及合理的匝數(shù)比，若未注意這些問題也會造成Q1、R16以及反激變換器發(fā)熱，這里選取了24:12的匝數(shù)比。

3 PCB設計注意事項

布線時要遵循不共地系統(tǒng)明顯隔離,大電流寬走線，高電壓大間距等原則。高壓部分與低壓部分的隔離要在100 mil以上，經(jīng)光耦、安規(guī)電容、脈沖變壓器可見明顯的隔離帶，不同系統(tǒng)模塊（即不共地系統(tǒng)之間）要有明顯的隔離區(qū)域。而當系統(tǒng)中電壓較高時，如本系統(tǒng)中的變壓器初級，同面布線時要尤其注意爬電間隙的重要性。

圖3是PCB器件布局及布線。PCB走線時要注意大電流環(huán)的形成，以及大電流線路的并行走線，由安培定則可知，大電流環(huán)形導線內易形成較強磁場，降低開關電源性能。大電流的線路應避免這兩種走線方式，盡量使用“十”字交叉式走線。另外，還要避免磁場對UC3842的工作產生影響，UC3842應盡量遠離大電流線路和RCD箝位電路線路,尤其應該避免大電流環(huán)路對UC3842的包圍。

另外，還應保證LM2576周圍有足夠的地孔來使上下兩層的電流保持暢通。

移動基站的蓄電池組幾乎可以保證持續(xù)供電的需求，將其供應的寬范圍輸入電壓經(jīng)降壓變換為12 V、5 V和3.3 V的常用電壓，可以為基站中設計監(jiān)控和防盜設備提供穩(wěn)定的電源。本文提出的基于UC3842的開關電源設計能夠滿足大部分監(jiān)控和防盜等設備的供電。

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