基于UC3843的同步整流升压电路
2018-12-06安徽理工大学王梦伟
安徽理工大学 王梦伟 刘 卓 秦 孜
传统的BOOST升压电路利用较低，为解决这一问题，本文采用低导通电阻的MOSFET代替二极管实现续流，减小损耗，提高效率。该同步整流升压电路以UC3843作为控制芯片，采用IR2104芯片驱动两个MOS管，实现开关管和整流管的交替导通，经过测试，达到了电路设计的要求。
引言：升压电路广泛应用于手机、直流电机传动、PFC等设 备中，作为一种斩波电路在开关电源中也得到广泛应用。同步整流技术由于可以大大的提高电路的效率，因此同步整流技术也广泛的应用在各种电子电路中（夏鲲,谭媛,袁印.一种单相高效率同步整流电源[J].信息技术,2016(11):57-60,65）。为解决BOOST电路利用效率较低这一问题，本文设计了一款基于UC3843和同步整流管的BOOST升压电路，驱动采用IR2104芯片，控制开关管和同步整流管的交替导通，进而实现同步整流，利用MOS管代替续流管提高了电路的效率，该电路结构简单，效率达到了95%以上。此外，根据BOOST电路计算出了电路的核心器件—电感，并选取了环形电感的型号、导线线径以及线圈的匝数（布朗(著),徐德鸿(译).开关电源设计指南(第2版)[M].北京:机械工业出版社,2004:30-98）。
1 硬件设计
本论文设计的是基于电源芯片UC3843、驱动芯片IR2104的同步整流升压电路，要求输入电压12V，输出电压60V。该同步整流升压电路主要包括滤波电路、脉宽调制电路、反馈电路、过流保护电路等组成。
图1 电路原理图
设计的电路如图1所示。UC3843是一种频率高、脉宽可调的电流控制型PWM调制芯片，它的电压调整率可达0.01%V，工作频率最高为500kHz，UC3843的电压门限为8.5V（通）和7.6V（断），有8个外接引脚，6脚可以输出稳定的PWM波（张京,秦会斌,章旦阳.基于UC3843的60W升压电路设计[J].电源技术,2016(2):425-426,454）。主电路中电感L1为升压电感，L2与后级电容组成滤波电路，可消除电路中的杂波，使电压稳定输出。由于二极管整流损耗较大，因此采用通态电阻极低的专用功率MOSFET代替二极管进行同步整流，减少电路的损耗，提高电路的效率。电路图中的Q1为整流管，Q2为开关管，这两个MOS管以互补的模式驱动，一个管子开，另一个管子关，在它们的导通间隙之间有一个很小的死区时间，以避免同时导通。驱动采用IR2104器件，内部带有死区时间，有高和低两个输出通道分别控制两个MOS管的关断与导通。
2 参数设计及原理图
设计中，选择电源的频率为52KHz。根据设计要求，结合BOOST电路结构的分析，确定图中的关键参数L1需先根据输入电压和输出电压确定最大占空比：
这里为输入电压，为输出电压。输出电流最大为0.6A，即负载电阻取100Ω，然后根据占空比和开关周期计算出连续工作模式的电感量L1的值：
通常取1.1～1.2倍裕量，即取L1为70uH。
电感电流的平均值为：
取铜导线电流密度为4A/mm2，经计算选取铜导线型号为20AWG。文献（布朗(著),徐德鸿(译).开关电源设计指南(第2版)[M].北京:机械工业出版社,2004:30-98）选取磁环型号为55120-A2，磁导率为125，，则匝数为31圈。滤波电感L2取20uH，经计算选取铜导线型号为33AWG，磁环型号为55270-A2，匝数为14圈。取纹波电压为输出电压的0.2%，则滤波电感为：
通常取1～2倍，这里取100uf/100V。
输出电压与基准电压的关系为：
由此可以确定反馈电阻的大小，设电源效率为95%，电流反馈电阻计算公式为：
这里取0.1Ω/2W。根据技术要求及相关计算，选取自举二极管型号为IRF107，开关管选取IRF540型号的MOS管。
3 实验测试数据及分析
根据电路原理图以及相关的计算结果，选取相关器件进行实物测试，测试波形如图2所示。
图2 UC3843的输出波形
图2为UC3843的6脚输出波形，通过示波器可以观察到电路的频率以及周期，在实物测试时，由于器件本身的一些因素，并未达到理论值，由此电路的频率与理论计算有些偏差，在允许的范围内认为该电路达到了要求。
图3 IR2104的HO端输出波形
图3和图4为驱动IR2104的HO端、LO间输出的波形，该波形为对称互补输出（刘庆新,程树英.双Buck太阳能LED路灯照明控制系统[J].电子技术应用,2011(5):142-145）。由于电路之间相互影响，下管的输出波形并未达到理想的矩形波输出，但与理论分析相吻合。在输入电压为12V时，测得输入电流为3.105A，输入功率为37.26W；输出电压为58.542V，输出电流为591.093mA，输出功率为34.60W，效率，由此可以看出基本达到了设计的要求。
图4 IR2104的LO端输出波形
4 总结
从实验测试波形以及相关数据可以看出，输出波形与理论计算的波形稍有偏差，但并不影响整体的电路，该同步整流升压电路达到了所设计的要求，综上所述，本次实验测试基本满足了电路设计的要求。电路的结构简单、发热量小，适合在小功率场合中使用。
