电流控制型PWM控制芯片LT1247在电动汽车逆变器开关电源中的应用

摘要：电流控制型PWM控制芯片LT1247较常用的UC2843外部电路更为简单，动态响应迅速，开关频率可以达到1MHz。重点介绍LT1247的工作原理，并给出其在电动汽车逆变器隔离式DC/DC开关电源中的应用实例。

关键词：电流控制;开关电源;PWM;电动汽车

引言

近年来，电子电源技术不断向高频化、集成化发展，高频开关电源更是电源技术领域的新课题，新型的开关电源控制芯片也层出不穷。其中，采用电流控制型芯片制成的开关电源的优点是：良好的线性调整率和快速的输入输出动态响应，消除了输出滤波电感带来的极点和系统二阶特性，使系统不存在有条件的环路稳定性问题，具有最佳的大信号特性，固有的逐个脉冲电流限制，简化了过载保护和短路保护，在推挽电路和全桥电路中具有自动磁通平衡功能，多电源单元并联易于实现自动均流，因而较电压控制型芯片得到了越来越广泛的应用。本文介绍新型电流控制型开关电源控制芯片LT1247，并给出其在电动汽车逆变器隔离式DC/DC开关电源中的应用实例。

电流控制型PWM控制器LT1247

LT1247是LinearTechnology公司生产的电流控制型PWM控制器，完全兼容常用的UC1843系列芯片，内部含有温度补偿的电压基准，高增益的误差放大器，电流比较器，RS触发器和欠压锁定等单元电路。启动电压为8.4V，欠压保护电压为7.6V，启动电流仅250μA，输出为图腾柱式，最大输出峰值电流为1A，适合于驱动MOSFET，以及适用于离线式开关电源和DC/DC变换器。同时，LT1247相对于UC1843进行了一些改进，将贯通图腾柱上下两个开关管的电流降低到最小，使电路可以工作在1MHz的频率下；对电流比较器部分增加了消隐电路（Blanking），这样就不需要在电流传感器后级附加滤波电路，从而将电流传感信号的延迟时间控制在30ns以内。LT1247的内部结构框图如图1所示。


电路中，振荡器（Oscillator）在每个周期开始时输出高电平，将RS触发器置位，使引脚6输出功率管开通信号，经过一定时间后振荡器输出低电平，电路输出功率管关断驱动信号。在振荡器输出高电平的这段时间内，门电路G1可以根据脉冲宽度调制的需要，复位RS触发器，提前关断功率管，而G1的控制信号来自引脚2和引脚3。引脚2为电压反馈信号，与2.5V电压给定值相比较得到误差信号，经过误差放大器U1放大后，再经过降压，作为电流给定值，送到比较器U2，与引脚3的电流传感信号比较，一旦实际电流超过给定值，比较器U2控制G1，进而关断功率管，实现对驱动信号脉冲宽度的调制。这样，在LT1247内部形成了电流内环和电压外环的双闭环控制结构，电压的给定值为2.5V，电流给定值为(V_pin1-1.4)/(3×R_s)，式中Rs为电流采样电阻。电路除了实现电压、电流双闭环控制外还具有其他特性：U1的偏置电流只有1mA，如果从引脚1拉出1mA电流就可以关断功率管，这一特性可用于实现软启动；将电流给定值限制在1V/Rs，使LT1247具有逐个脉冲限流功能；增加了消隐电路BLANKING和比较器U3，使电流控制环具有更快速的响应特性，以适应更高的开关频率。

逆变器隔离式DC/DC开关稳压电源的设计要求

设计隔离式DC/DC开关电源，用于电动汽车逆变器控制电路和CAN总线的供电。该电源的具体要求是：
(1)输入直流电源电压+12V；
(2)输出一组：5V/1A，±15V/200mA，为控制电路供电；输出另一组：5V/150mA，为CAN总线供电；
(3)一组输入和两组输出三者相互隔离，隔离耐压2000V；
(4)输出纹波电压小于输出电压的1.5%；
(5)输入电压调整率S_V≤1%，负载调整率S_I≤5%；
(6)由于+12V电源同时为逆变器功率模块IPM提供驱动电源，会引入大量的共模噪声干扰，因此要求DC/DC开关电源有一定抗干扰能力。

隔离式DC/DC开关稳压电源的设计

本设计采用单端反激式电路，单端反激式具有电路拓扑简单、输入输出隔离、输出电压范围宽、以及易于多路输出等优点，适合于20~80W小功率电源。图2为DC/DC开关稳压电源的电路原理图。

变压器选用锰锌铁氧体E-28型磁芯，磁导率L=2000H/m。磁芯有效截面积S_j=0.7cm²，饱和磁通密度B_s=0.4T，实取磁通密度B=0.25T。电流控制技术在占空比大于50%时，控制环变得不稳定，抗干扰性能差，需斜坡补偿。因此，将最大占空比D_max设定为0.42，相应绕组N1～N5的匝数分别设置为12、8、19、27、10，对应原边电感为200μH。控制芯片采用LT1247，R3、C5将电源开关频率设定为80kHz，R2、R4与LT1247构成误差放大器，用C1改善放大器的频率特性。R8为电流测量电阻，设定最大工作电流为2.5A。功率管选用IRF530(17A/100V，RDS(ON)=90mΩ)；R6为栅极驱动电阻，其大小直接影响功率管开关过程的dv/dt；R7为功率管输入寄生电容的放电电阻。功率开关关断时漏感储能引起的电压尖峰用由R1、C4和D3构成的RCD箝位电路加以抑制。

当功率开关Q1关断时，变压器T1的漏感能量转移到箝位电容C4中，并消耗在电阻R1上，从而有效地抑制Q1关断电压尖峰。只对5V主输出电路提供反馈，用TL431和PC817构成线性光耦反馈电路，R11和VR1为输出电压采样电阻网络，C6用以改善TL431的频率特性。5V输出电路为E6、E7和L2构成π型滤波器，其余各电路为了提高稳压精度使用了78和79系列线性稳压器。整流二极管采用肖特基二极管1N5819(1A，200V)和1N5822(4A，200V)，肖特基二极管的反向恢复时间在ns级，可以大大减小输出纹波。电路的工作过程可以简述为：当电源变化或负载变化造成输出电压升高时，线性光耦反馈输出增加，反相误差放大器输出减小，也就是减小变压器原边电流给定值I_pk，这样变压器储能减少，开关电源输出下降，完成整个负反馈调节过程。为了达到所要求的抗干扰能力，引入由C2、L1和C3构成的电源滤波器。L1是共模扼流圈，差模信号在铁心中产生的磁通方向相反，互相抵消，不起电感作用，而对于共模信号，能得到一个大的电感量，呈现高阻抗，因而对其有很好的抑制作用。而C2和C3对差模信号具有低阻抗，可以有效滤除差模信号。电路相关参数的计算在此不再阐述。


试验波形与分析

图3为所设计的电源在额定工况时各部分的工作波形，其中，CH1为LT1247振荡器电容的充放电波形（引脚4电压波形），CH2为功率管Q1驱动信号的电压波形，CH3为电流测量电阻R8的电压波形，CH4为主输出电路（5V/1A）的电压波形。电路工作稳定。在CH3上可以很清楚地看到在功率管开通瞬间出现的尖峰，同时变压器原边储能电感工作在电流连续状态。图4为RCD箝位电路吸收电容C4两端的电压波形，开关管Q1的关断过电压被有效抑制在30V以内，同时由于放电电阻R1取值较大，其带来的效率损失可以忽略。





结论

电源测试结果：对于5V/1A主电路，V_in=11~13V时，电压提高40mV；Vin=12V、Iout=0.1～1A时，电压下降120mV；V_in=12V时输出电压纹波峰峰值小于60mV。其余各路也均满足设计要求。笔者认为，采用LT1247设计的多路输出隔离电源，电路简单、工作可靠、输出纹波小，具有实用和推广价值。