基于移动基站蓄电池组的开关电源设计

2011-08-08程大伟

网络安全与数据管理 2011年24期

程大伟,程勇

(山东科技大学信息科学与工程学院,山东青岛266510)

移动基站中的备用电源为24节蓄电池组成的48 V蓄电池组提供的直流电源。当市电正常供应时，蓄电池组处于充电（均充或浮充）状态。若市电掉电时，蓄电池组作为备用电源来为基站内设备供电。由于基站内的监控和防盗设备多需要12 V、5 V以及3.3 V的供电电源，如果通过市电转化，当市电掉电时，这些监控和防盗设备就会停止工作，就无法对基站内的工作情况进行实时监控。

若以基站内蓄电池组为电压，就能够保障监控和防盗设备的持续工作。但是，基站中的每节蓄电池的输出电压会随着充放电过程的进行而不断变化。在蓄电池浮充状态下，单节电压可达到2.4 V以上，整组电压可达到60 V以上。基站中监控系统对单节蓄电池的电压下限以及整组电压下限进行了限定,即当单节蓄电池电压低于1.8 V或整组蓄电池电压低于44 V时，蓄电池停止工作。本文提出一种基于UC3842的具有较低纹波系数电压输出的开关电源电路设计。

1 UC3842介绍

UC3842是一款高性能单端输出式电流控制脉宽调制芯片。UC3842主要由5.0 V基准电压源、占空比调节振荡器、降压器、电流测定比较器、PWM锁存器、高增益E/A误差放大器和适用于驱动功率 MOSFET的大电流“图腾柱”输出电路等构成。其内部结构如图1所示。

UC3842启动后，内部脉宽调制电路产生的脉冲信号从6号脚输出，控制开关功率管的开断。开关功率管导通时，产生的电流检测信号经采样电阻转化成的低压直流反馈信号送入3号脚，检测电流由1号脚误差放大器的输出电压控制。检测电流可由如下公式得到：

由于电流检测比较器的反相输入端箝位在1 V，所以检测电流的最大值：Is(max)=1/Rs。低压直流信号送入2号脚的误差放大器，与内部2.5 V基准电压比较，产生的误差信号送入脉宽调制电路，实现脉冲信号的脉宽调制，从而稳定输出电压。若输入电压由于负载变化等原因升高，2号脚的反馈信号也升高，脉宽调制电路调节输出的脉冲信号宽度变窄，减小了开关功率管的导通时间，使输出电压降低。输出电压降低时，同理。

振荡器的振荡周期决定脉冲信号的工作周期，而振荡器频率由定时元件RT和CT的值决定，其振动频率计算公式为：

2 主体电路结构分析

结合UC3842的特性，以及移动基站中蓄电池组的供应电压，本设计的主体电路设计如图2所示。

2.1 UC3842的启动

Vin通过R8为C5提供充电电流，当C5的充电电压达到UC3842的启动门限电压16 V时，UC3842开始工作，并向外提供脉冲。R8的取值直接影响UC3842的开启时间，由于R8只负责UC3842的启动，所以其功率不需要太大，2 W即可。理论上UC3842的启动电流为1 mA左右，在实际设计中，以1.5 mA～2 mA设计。R8的计算公式如下：

2.2 开关管控制

由于MOS管都是利用多数载流子导电，不存在少子导电和多余载流子负荷表现出来的存储时间，所以其动作快、频率高，不存在二次击穿。

MOS管Q1导通时，其栅极电容储能，当 MOS管关断时，栅极电容的储能要通过R9泄放。但栅极电容上的储能泄放速度缓慢，这将导致在储能泄放过程中MOS管温度升高，且有较大的功率损耗。若在R9上并联二极管D7，这将使栅极电容储能几乎无阻碍地迅速泄放，到达快速冷却MOS管的效果。

2.3 单端反激变换器

单端反激原理：当开关管导通时，变压器的初级线圈储存能量，只有当开关管关断时，变压器初级线圈所储存的能量才通过次级线圈传递给负载。

电路中所设计的单端反激变换器工作原理：当Q1导通时，T1的初级线圈储存能量，且初级线圈的电压为上正下负。此时T1次级线圈的电压为上负下正，但是由于D1和D5的存在，T1的次级线圈上并未有电流流过，即初级线圈的能量并未传递给次级线圈。当Q关断时，T1初级线圈的电压极性颠倒，此时次级线圈为上正下负，二极管导通。这样初级线圈储存的能量通过次级线圈传递给负载。

2.4 RCD吸收箝位电路

脉冲变压器T1的初级线圈所产生的磁力线不能全部通过次级线圈，因此而产生漏感现象，加之其他分布参数的影响，反激式变换器在开关管Q1关断瞬间会产生上百伏的尖峰电压，使开关管漏极承受较高的开关应力，这将严重威胁Q1的正常工作，必须采取措施对其进行抑制，RCD箝位电路以其电路结构简单、成本低廉的特点而得到广泛的应用。

本文所提出的设计中，R1、C2和D4构成了RCD箝位电路，用来吸收Q1关断瞬间产生的尖峰电压。当Q1关断时，变压器T1上的漏感储存在箝位电容C2上，并在R1、C2回路中，由R1消耗掉储存在C2上的漏感能量。这样就有效地抑制了Q1关断瞬间产生的尖峰电压，大大减少了开关管的电压应力。

2.5 注意

若UC3842外围电路元器件参数选取不当，会造成Q1和R16的温度过高。设计反激换器的时候要注意同名端的反向以及合理的匝数比，若未注意这些问题也会造成Q1、R16以及反激变换器发热，这里选取了24:12的匝数比。

3 PCB设计注意事项

布线时要遵循不共地系统明显隔离,大电流宽走线，高电压大间距等原则。高压部分与低压部分的隔离要在100 mil以上，经光耦、安规电容、脉冲变压器可见明显的隔离带，不同系统模块（即不共地系统之间）要有明显的隔离区域。而当系统中电压较高时，如本系统中的变压器初级，同面布线时要尤其注意爬电间隙的重要性。

图3是PCB器件布局及布线。PCB走线时要注意大电流环的形成，以及大电流线路的并行走线，由安培定则可知，大电流环形导线内易形成较强磁场，降低开关电源性能。大电流的线路应避免这两种走线方式，尽量使用“十”字交叉式走线。另外，还要避免磁场对UC3842的工作产生影响，UC3842应尽量远离大电流线路和RCD箝位电路线路,尤其应该避免大电流环路对UC3842的包围。