一种基于UC3901的有源箝位SEPIC电路设计_李红莲.pdf

集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 23Research and Design 研究与设计摘要：阐述一种适用于宽输入电源的磁隔离反馈的有源箝位SEPIC电路，分析了控制器UC3901的工作特点，给出了利用UC3901控制器设计有源箝位SEPIC电路的设计方法。对主电路和控制电路进行了详细的分析与设计。实验结果验证了理论分析结果，验证了该电路具有良好的静态和动态性能。关键词：电路设计，磁隔离反馈，UC3901，有源箝位SEPIC电路。中图分类号：TM46 文章编号：1674-2583(2023)01-0023-03DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.01.008文献引用格式：李红莲，白钰.一种基于UC3901的有源箝位SEPIC电路设计J.集成电路应用,2023,40(01):23-25.一种基于UC3901的有源箝位SEPIC电路设计李红莲1，白钰2（1.宁夏建设职业技术学院，宁夏 750001；2.国网宁夏电力有限公司银川供电公司，宁夏 750001）Abstract This paper describes an active clamp SEPIC circuit for magnetic isolation feedback of wide input power supply,analyzes the working characteristics of controller UC3901,and gives the design method of active clamp SEPIC circuit using UC3901 controller.The main circuit and control circuit are analyzed and designed in detail.The experimental results verify the theoretical analysis results,and verify that the circuit has good static and dynamic performance.Index Terms circuit design,magnetici solation feedback,UC3901,active clamped SEPIC converter.Design of Active Clamped SEPIC Converter Based on UC3901LI Honglian1,BAI Yu2(1.Ningxia College of Construction,Ningxia 750001,China.2.State Grid Ningxia Yinchuan Power Supply Company,Ningxia 750001,China.)作者简介：李红莲，宁夏建设职业技术学院，讲师；研究方向：电力电子传动。收稿日期：2022-04-13；修回日期：2022-12-27。1%，因此可以直接作为放大器的基准信号使用。利用该芯片自带的振荡电路就可以实现调幅信号的输出，不需要外接振荡电路。该自带振荡电路可以产生高达5MHz的载波频率，能有效减小隔离变压器的体积和成本。调幅电路的输出端的电流输出能力可以达到15mA，吸电流能力为700A，如果吸电流能力不能满足电路要求时，还可以通过外接扩流电阻进行扩展。下面会详细介绍扩流电阻大小对输出幅值的影响2。与光耦隔离器相比，此芯片具有损耗小的优点。2 有源箝位SEPIC电路设计要求本文给出采用UC3901磁隔离反馈控制器进行有源箝位SEPIC电路的设计方法。该电源的设计要求如下：（1）输入电压：2050V；（2）额定电压36V；（3）输出电压：5V；（4）输出电流：2A；（5）电源输出噪声纹波峰-峰值：30mV；（6）电压稳定度：1%；（7）启动时间：20ms。3 电路设计图1所示是有源箝位SEPIC电路设计总体框图。0 引言由于光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件，长期使用时，存在耦合效果逐渐衰减现象，可靠性差，同时光电耦合器在某些特殊的使用环境，存在着较大的局限性。这时在开关电源中，磁反馈隔离是一种比较合适的控制电路隔离方法1。故此，在高端DCDC变换器使用场合，采用磁隔离反馈技术代替传统的光电耦合器隔离反馈技术。本文将介绍采用UC3901控制芯片的磁反馈有源箝位SEPIC电路的设计方法。1 UC3901控制芯片的特点UC3901是TI公司生产的隔离反馈控制器，采用幅度调制系统（PAM），磁隔离型反馈误差信号。利用UC3901和隔离变压器以及包络检波电路可以很方便地实现DC/DC电源中控制电路的磁隔离反馈功能。UC3901内部主要有幅度调制电路、电压基准、放大器电路、振荡电路、输出驱动电路。UC3901的工作电压范围为宽范围，从4.540V都能正常工作。该器件的电压基准是1.5V，其精度可以达到24 集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 Research and Design 研究与设计磁保持继电器可以实现开关指令控制接口，输入滤波电路采用的是LC无源滤波电路，功率变换电路采用的是有源箝位SEPIC电路和功率变压器隔离设计，输出整流采用的是二极管整流电路，输出滤波采用的是LC滤波电路，磁隔离反馈控制电路采用了磁隔离反馈控制器(UC3901)、磁隔离变压器和整流滤波电路组成，PWM控制电路采用的是UC3823，由于有源箝位SEPIC电路需要两路互补的驱动信号，因此加入了反向缓冲器CD4049和驱动芯片IR2110。该电路还设计了开启电路和辅助电源，为了减小损耗，当电路正常工作后，开启电路停止工作，辅助绕组对控制电路供电3。3.1 主电路设计主电路采用的是有源箝位SEPIC电路，图2所示为主电路电路图。在电路中，S1为主开关管，S2为箝位开关管，Cs为箝位电容，Cc为耦合电容，Lr为变压器的漏感，Lm为变压器的激磁电感，电容C1、C2为开关管并联的谐振电容，且C1=C2=Cr，输出电压为Vo,输出电流为Io变压器的匝比为1/n。在下面的分析中，所有正方向都是如图2所示。在详细分析这个电路前，认为所有元器件都是理想的，同时进行以下假设：（1）Cc、Cs远远大有Cr,Cc、Cs足够大，且其两端的电压基本不变，可以看成是恒压源，且VcsVcc。（2）L1远远大于Lr。（3）变压器的激磁电流iLm总是大于零。将这个电路的工作状态分成6个阶段进行分析。（1）模态1，VD1自然导通，在这期间S1将导通，S2是关断的，VD2由于C2的反向电压的作用而处于阻断状态。tm时刻，i1将由负变正，VD1自然关断，S1在这之前导通，就能实现零电压开关(ZVS)。电感L1在电源Vin的作用下，线性充电。耦合电容通过Lm、Lr放电，可以近似成是线性的4。当ip减小到0时，此阶段结束。（2）模态2，此阶段S1继续导通，由于ip减小到0，二次侧电流也为0，二极管D1关断。负载电流有电容C提供。L1在电源Vin的作用下，继续充电。Lm、Lr、与电容CC谐振，由于CC和Lm数值比较大，可以近似看成线性变化。（3）模态3,此阶段S1在缓冲电容C1的作用下软关断，电流i1流向C1，电感Lm的极性相反，但是不足以使D1导通，因此负载电流还是由电容C提供。在IL1和Ilm的作用下，C1谐振充电，C2谐振放电，由于L1和Lm数值较大，可以认为电流基本不变。C1上的电压V1线性上升，当V1=Vo/n+Vcc时，阶段结束。（4）模态4，此阶段变压器一次侧的电压变为Vo/n，输出二极管D1导通，迅速将一次电压箝位在Vo/n，因此激磁电流iLm在Vo/n的作用下线性下降，此阶段ip为变压器二次侧反射过来的电流nio，电容C1、C2继续谐振，直到C1上的电压上升为Vcs，C2上的电压谐振到0，此阶段结束。由于Cc、Cs数值较大，可以认为其电压基本不变。（5）模态5，电容C2上的电压下降为0，二极管VD2自然导通，L1、Lr与Cs继续谐振，由于Cs值较大，可以认为iL1+iLr全部流向Cs,Cs充电，同时将V1箝位在Vcs。这个阶段电流基本都是线性变化的，iLr变为0，此后变为负值，电容CC充电。此后i2变为0，二极管VD2自然关断，在这之前S2开通，就能实现ZVS。S2在电容C2的缓冲作用下软关断。这段时间持续的时间取决于占空比的控制。（6）模态6，此阶段S2关断，S2上的电流流向C2，在iL1+iLr的作用下，C1谐振放电，C2谐振充电，直到V1=0,V2=Vcs，VD1自然导通，这阶段结束。3.2 磁隔离反馈电路设计磁隔离反馈电路由磁反馈控制器UC3901、隔离变压器T2和包络检波电路（D22、R46、C63）组成。如图3所示，由于UC3901提供的电压基准VREF=1.5V，因此R35、R45的取值应满足以下条件，如式（1）所示。（1）UC3901的10脚为误差放大器的正向输入端，可直接连接1.5V基准，为了减少电路开启时的过冲，加入电容C71可以使基准值缓慢上升。电容C55、C57和电阻R37、R40构成反馈网络。C54、R52为振荡电容和振荡电阻，可以根据所需要的振荡频率进行计算，如式（2）。（2）3.3 PWM电路设计该电路的PWM控制芯片采用的是UC3823，其输出占空比D的变化范围为080%，适合宽输入电压电路，且该芯片能输出5.1V的基准电压。图4所示的是本电源的PWM控制电路，UC3823的1脚是内部误差放大器的负向输入端，连接UC3901图1 有源箝位SEPIC电路设计总体图2 有源箝位SEPIC电路图图3 磁隔离反馈电路图 集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 25Research and Design 研究与设计能保持稳定，电压稳定度1%，且负载调整率1%。实验还测量了输出电压的纹波（如图9所示），输出电压纹波峰峰值为24mv，小于30mv，满足设计对输出电压纹波的要求；启动电压波形（如图10所示），可以看出启动时间为5ms，小于20ms满足电路对启动时间的设计要求。5 结语本文提出的采用芯片UC3901设计的有源箝位SEPIC电路的磁反馈隔离电源。本文通过对主电路、磁隔离反馈电路及PWM电路进行了详细的分析和参数设计，并制作实验样机进行功能测试。测试结果表明该电源在宽范围输入电压（2050V）的情况下，输出电压均能保持稳定，并且负载调整率和电压调整率均小于1%，以及动态性能等指标均达到设计要求。与传统的开关电源相比，该电源不仅实现功率器件的软开关，同时可显著减小电磁干扰。本电源应用基于UC3901的磁隔离反馈，可以有效降低变压器的体积，同时可靠性高于光电隔离方式；因此该电路适用于存在电磁干扰场所的宽输入范围小功率电源。参考文献1 张钟,徐玉珍.基于耦合电感的零纹波高增益组合式Sepic变换器J.电器与能效管理技术,2021(11):73-79+84.2 Praneet Athalye，Dragan Maksimovic，Robert Erickson.Improving Efficiency of the Active Clamped SEPIC Rectifier at High Line FrequenciesCConference Proceedings-IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition-APEC,v2:1152-11573 Vuthchhay Eng,Unnat Pinsopon,Chanin Bunlaksananusorn.Modeling of a SEPIC Converter Operating in Continuous Conduction ModeC.2009 6th International Confere