基于磁放大器的大电流多输出开关稳压电源的研究

1 引言
　　现有开关电源一般采用电压负反馈的方式来进行稳压，但是这种方式只适合单输出开关稳压电源。然而对于大电流多输出开关电源，采用电压负反馈的方式不能实现多组输出电压的校正，因此不能获得多组输出电压的稳定。本文中采用了后相校正器中的一种，即磁放大器来实现开关电源中多组输出电压（本文中采用的是两组输出电压）的稳定。本文中我们所设计的开关电源主输出电压是24V，电流是6A；辅助输出电压是5.0V，输出电流为10A。
　　本设计在实验室试验成功，并已应用于生产。

2 磁放大器的基本原理

　　磁放大器是由可饱和磁芯以及磁芯上所绕的线圈所构成，当线圈流经电流超过一定值时，磁芯便达到饱和，因此磁阻相当小，相当于短路。当流经线圈的电流低于这个值时，磁芯便退出饱和，由于磁芯是高导磁材料镍、铁、钼的合金构成，因此线圈间的阻抗相当大，相当于断路。从上分析可知：磁放大器实际上类似于一个占空比可调的开关。该磁芯的磁滞回线如图1所示：

图1　镍、铁、钼合金磁芯的磁滞回线

3 磁放大器结构

3.1　主电路单元

　　磁放大器的主电路结构如图2所示，在电路中采用单端正极结构，根据单端正极电路结构的基本原理可知，Q1的占空比不能超过0.5，而且变压器复位线圈的匝数

应该与线圈

的匝数相等，以免使主变压器发生阶梯式趋向饱和现象。

图2　多组输出主电路图
　　从图2中，可以看出：当Q1导通期间，通过控制磁放大器磁的饱和时刻来控制磁放大器的“导通”时刻。当Q1关断时，磁放大器退出饱和，即“关断”状态。磁放大器MA的工作波形如图3所示。

图3 磁放大器MA工作波形
　　图中：

――Q1的开通时间；
　　

――磁放大器的饱和时间，即“导通时间”；
　　

――磁放大器死区时间；
　　T――整个回路的工作周期

3.2 控制电路单元

　　本设计中磁放大器控制电路所用的控制芯片为TI公司的UC3838A。这是一块专用的磁放大器控制芯片，其复位电流达100mA，可以使整个磁放大器的输出电流达到20A。此芯片内部含有两个运算放大器，一个用于稳压，另一个可以用于限流。控制电路如图4所示：

图4　磁放大器控制电路
　　在图4中，控制芯片UC3838A的第9脚输出2.5V的标准电压作为误差放大器与电流检测放大器的基准信号。输出电压反馈信号是通过采样电阻R5、R6的分压所得，与基准电压相比较来控制输出电压的大小。电流反馈信号则是通过采样电阻R7所获取,先经过一个运算放大器，将采样电流负反馈信号放大到一个合适的电平，再送到UC3838A的第3脚，与基准电压相比较，以进行限流。此放大器是用LM358所构成的同相比例放大器，其电路图见图4中IC2部分，根据模拟电子技术知识可知，LM358的输出电压为

，而

等于采样电阻R7与输出电流的乘积。
　　控制电路中元件选择如下：D1、D2选用UES2403,D3选择UES1003，限流电阻R12为300#8486;，采样电阻R7选用0.02#8486;,分压电阻R5,R6用2.5K#8486;,R1为1K，R2为11K#8486;，R3为100#8486;，L1为100micro;H，C1为1000micro;F/12V。

4 磁放大器稳压、限流的理论分析

　　假设主输出电路中的频率与占空比保持不变。由单端正极拓扑结构的原理可知：

　　　(1)

　　　　 (2)
　　主输出回路的稳压与限流原理在此不多加叙述。在辅助输出电路中，由图3波形可知：辅助输出电压：

　　 (3)

　　　 (4)
　　这里：

　　　　　　(5)
　　而：

　　　　　　　　（6）
　　其中：

其中：
　　　　　

――磁芯面积，

　　　　　

――饱和磁密，G；
　　　　　

――起始点磁密，G；
　　　　　

――变压器辅助绕组输出电压，V；
　　　　　

――磁放大器死区时间，S。
　　在Q1上一个周期关断瞬间到下一个周期的导通时刻，磁芯必须复位到磁滞回线的起始磁通

（其复位电流越大，所复位到的起始磁通密度

就越低），以调整下一个周期的死区时间。磁放大器的磁复位技术可分成电压复位与电流复位两种，本电路中采用了较为简单的电流磁复位技术。
　　电流磁复位技术实质就是Q1关断时刻,给磁放大器输入一个反向电流。然而在Q1导通时，由于D3承受反相电压，因此无反相电流流过磁放大器。在Q1关断瞬间，电压Vsp反相，D2截至，因此电流经过D3、磁放大器形成回路。因此，只要反相电流设置合适，则磁放大器能够复位到所需的起始磁通密度

。
　　由式（4）可知，不管任何原因使得输出电压升高

必须降低即

升高才能保持输出电压保持稳定。因此当输出电压升高时，UC3838A中的误差放大器的输出就会降低，则更大的复位电流流过磁放大器，使得初始磁通密度B1值下降的更低，根据式（6）可知，死区时间

就会增加，使得输出电压降低，这样实现了输出电压的稳定。
　　磁放大器的限流原理与稳压原理相类似，当输出电流高于设定值时，IC2输出电压升高，电流检测放大器的输出电压降低，使得更大的复位电流将会流过磁放大器。因此输出电压降低，输出电流将会随之降低。

5　磁放大器的闭环稳定性分析与设计

　　整个闭环系统是由输出LC滤波器、控制复位电流模块、采样网络和PI调节器所组成。一个稳定的闭环系统必须同时具有下面两个条件：一是截止频率