基于UC2843的升压装置设计与实现

徐 进，胡哲文，刘忠宝，宋文群，文福亮

应用研究

基于UC2843的升压装置设计与实现

徐 进，胡哲文，刘忠宝，宋文群，文福亮

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

根据某系统需求，本文提一种基于UC2843的宽范围输入、高效稳定的升压装置的设计方案。详细介绍BOOST拓扑的主回路电路，PWM控制芯片UC2843和MOS管驱动芯片TPS2814的外围电路。通过实验验证，该升压装置能够满足所有设计指标，可稳定高效地输出。

宽范围输入 升压装置 PWM控制 MOS管驱动

0 引言

动力电池的输出电压，稳定性较差，而应用系统所需的电源电压较高且纹波较小。因此，宽范围输入、大升压比的BOOST升压器受到了越来越广泛的关注。然而在宽范围输入、大升压比变换场合，传统BOOST电路存在转换效率低、发热量大、纹波大、体积大等一系列问题，难以满足系统使用要求。本文提出了一种基于UC2843的宽范围输入、高效稳定的升压装置设计方案[1]。

1 系统总体设计

1.1 设计需求

表1 升压装置设计需求

1.2 系统总体框架

本文所提出的升压装置是在BOOST拓扑电路的基础上，采用PWM控制方式实现，主要由输入滤波电路、储能电感、MOS开关管、PWM控制驱动电路、输出整流滤波电路组成[2]。系统原理框图如图1所示。

图1 系统原理框图

2 主回路参数计算

BOOST拓扑主回路是在BOOST基本拓扑的基础上，增加了输入滤波电路和缓冲电路，BOOST拓扑主回路电路如图2所示。

图2 BOOST拓扑主回路电路

2.1 输入滤波电路

CI1、L1、CI2组成的π型滤波电路主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。

2.2 储能电感L2

1）最大占空比计算

根据伏秒平衡原则得出[3]：

输出电压UO为200 V，输入电压Uin为DC80 V～DC160 V，D为占空比，由此可知Dmin=0.2，Dmax=0.6；

2）电感计算

BOOST变换器工作在电感电流临界模式BCM时，开关截止期间电感电流从最大值正好减小到零，电流值一旦为零下一个开关周期便开始了[4]。根据BCM工作模式特性，得到：

其中I为输出电流，f为工作频率。本方案中BOOST电路工作于CCM 模式，电感值L应满足：L≥LBCM。

以上公式中占空比D均指最小占空比Dmin。结合计算结果和设计余量，储能电感L2选取68 uH。

电感最大平均电流计算公式如下：

电感电流脉冲峰峰值计算公式如下：

从而得出主回路的峰值电流：

2.3 功率MOS管G1

功率MOS管VT所承受的最大电压为U，因此可以根据U来选择MOS管的电压参数。根据元器件一级降额设计要求，MOS管额定耐压应≥2×UOMAX，UOMAX为200 V，MOS管的额定耐压应大于400 V，因此选取耐压600 V。

功率MOS管的集电极电流约等于电感平均电流8.5 A，根据元器件一级降额设计要求，MOS管额定电流应≥17 A。按照综合损耗最小原则对可选MOS管G1评估，最终选型英飞凌IPW60R060P7，耐压600 V，额定电流30 A。

为了降低或消除MOS管G1关断时承受的电压尖峰，主回路在BOOST拓扑的基础上增加了RCD吸收电路。RCD吸收电路的组成是将电阻RH1和二极管D2并联后，再与电容CH1串联。RH1的作用在MOS管G1导通时，限制CH1放电电流，并将能量转移。D2的作用是在MOS管G1关断时，使CH1可以经过D2充电，而RH1则被D2短路。

2.4 二极管D1

当MOS管G1关断时，二极管D1给电感提供续流回路，防止不可控电压尖峰的产生，二极管的反向电压为UO，二极管的正向电流约等于输出电流IO，根据元器件一级降额设计要求，二极管反向耐压应≥400 V，二极管正向电流应≥6 A。因此选择反向耐压600 V，正向电流15 A的二极管MUR1560。

2.5 输出电容CO

输出电容会影响输出电压纹波的大小。MOS管G1导通时，输出电容提供全部的负载电流，MOS管G1关断时，给输出电容充电。较大的输出电容有利于减小输出电压纹波。BOOST电路工作在CCM模式下，根据电容充放电方程，得出：

输出电容电压等于输出电压，根据元器件一级降额设计要求，输出电容的电压应≥400 V，因此选取120F/500 V的电容。

3 控制回路设计

根据设计需求及UC2843数据手册，对PWM控制电路进行设计[5]，如图3所示。

图3 PWM控制电路

3.1 工作频率

由于工作频率f=100 kHz，最大占空比max=0.6，通过UC2843的特性分析计算，最终选取R=1 K，C=12 nF。CE1为去耦电容，取0.1 uF，减小开关噪声对UC2843输出基准源的影响。

3.2 输出电压反馈电路

根据设计需求，BOOST升压装置的输出电压为DC200V，其计算公式如下：

根据贴片电阻功率等级进行降额设计，选取RK1=540 K，RK2=6.8 K。RF和CF组成RC补偿网络，根据UC2843数据手册要求，这里RF取100 K，CF取0.01 uF。

3.3 电流反馈电路

Rs为电流检测电阻，为避免MOS管G1开通瞬间的电流尖峰引起芯片误动作，和组成的RC电路，输入信号经滤波后，送入引脚Pin3，形成电流反馈环。

因此电流检测电阻Rs选取0.05 Ω/2 W。在PCB设计时，和应尽量靠近UC2843的引脚Pin3，选取1 K，选取100 pF。

3.4 启动工作电压

升压装置的启动电压由UC2843启动所需控制电路电源电压确定。启动所需控制电路电压由控制电源电路产生[6]，则启动前有如下计算公式：

其中，VCC为UC2843工作电压，即控制电路电源电压，启动范围7.8 V～9 V，取中间值8.4 V；U为升压器输出电压，VGS即MOS管G2小电流线性工作区，约3 V。

升压装置启动前，处于直通工作状态，U=U-1，其中，1 V为主回路二极管D1导通压降评估值。

根据设计需求，升压装置的启动电压范围为DC80 V～DC90 V，取中间值85 V，须满足RE1与RE2的比值为6.5。

综合考虑电阻耐压，功率损耗等因素，RE1选取651 K，RE2选取100 K。

升压装置启动后，控制电路电源电压有如下计算公式：

其中VG为MOS管G2门极对地电压。按照升压装置正常工作时VCC=10 V的要求，VG应为13 V。VG由稳压管VD1确定，即稳压管VD1应取13 V稳压值。

3.5 MOS管驱动

在UC2843的PWM输出控制端增加MOS管驱动器TPS2814，提升MOS管驱动能力，迅速完成对于栅极输入电容电荷的充电过程，加速了MOS管G1的关断时间，使MOS管G1能快速开通且避免上升沿的高频振荡。RQ为MOS管G1驱动电阻，在PCB设计时，应尽量靠近MOS管G1，尽量缩短高阻抗线路。在MOS管G1断开时，为了快速保证栅极电荷的快速泄放，在驱动电阻上并联一个电阻RQ2和一个二极管D3，同时可以抑制反向谐振尖峰。D3为快恢复二极管，使MOS管G1关断时间减小，同时减小关断时的损耗。RQ2是防止MOS管G1关断时电流过大，将UC2843烧损。

4 实验结果

在空载的情况下，逐步调高输入电压，升压装置启动工作前，保持直通状态，即输出电压约等于输入电压。当输入电压升至88 V时，升压装置启动工作，输出电压为201 V，满足启动电压80 V～90 V的要求，带载3 A工作。继续调整输入电压至120 V和160 V，升压装置均可稳定带载工作。将输入电压降至80 V，升压装置也可稳定输出201 V，带载3 A工作。升压装置启动工作过程中，输出电压的纹波峰峰值Δ为400 mV，满足设计指标。

图5 升压装置测试曲线

5 结束语

本文提出了一种基于UC2843的宽范围输入、高效稳定的升压装置的设计方案，硬件部分详细介绍了以BOOST基本拓扑设计的主回路电路及主要元器件计算及选型，控制回路选用PWM控制芯片UC2843和MOS管驱动芯片TPS2814结合。通过实验测试结果表明，该升压装置能够满足所有设计指标，可稳定高效的输出。

[1] 张士宇. 宽输入Boost变换器研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2013.

[2] 罗鹏. 采用峰值电流模PWM控制的BOOST型DC-DC转换器的设计[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2010.

[3] 崔乐, 李春. 基于伏秒平衡原理的Boost升压斩波电路分析[J]. 自动化与仪器仪表, 2019, (8): 95-98.

[4] 高健, 许飞云, 贾民平, 彭森. 基于UC3843的CCM模式Boost变换器设计[J]. 电力电子技术, 2010, 44(05): 34-36.

[5] 王春宁, 武浩, 陈明会. 基于UC2843的DCM模式下反激式DC-DC变换器仿真研究[J]. 通信电源技术, 2018, 35(01): 9-13.

[6] 李正丽. 基于UC2843的隔离式DCDC电源设计[J].机电产品开发与创新, 2017, 30(05): 48-50.

The design and implementation of a boost device based on UC2843

Xu Jin, Hu Zhewen, Liu Zhongbao, Song Wenqun, Wen Fuliang

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM46

A

1003-4862（2022）04-0049-04

2021-08-02

徐进（1989-），男，工程师。研究方向：电源控制。E-mail: 583123043@qq.com