【聚友】浅析基于UC3843的Boost升压模块

    (本贴仅为升压型MPPT太阳能控制器的铺垫)

    刚开始玩光伏不久，首先将太阳能电池板提供的能量（15~18V直流电）通过改造后的KIS-3R33模块降压给12V蓄电池充电，然后用另一块改造后的KIS-3R33模块降压至5.10V给USB设备充电。50W板子发出的电能给USB设备供电实在是用不完，怎么消耗电能，马上想到了笔记本供电

现在要反过来把12V蓄电池的直流电升高至20V以上使用了，我的ThinkPad-X60S就是20V标准（其实这个模块还可以放在汽车上给笔记本供电）。

一、购买成品模块，先研究再模仿

图1   2块成品升压模块

       在淘宝上买了2块升压模块，见图1，左边一个花费20元，右边一个花费15元。我想既然两个卖家都是用这种方式，那么必定是有可取之处的，我就先学懂，学透这个类型的模块，入了门自然慢慢的眼界就开阔了。第一步就是得到两个模块的电路图了（淘宝卖家一般不会提供的，我也懒得费口舌，用眼睛看，万用表一根根的测量，感觉有点像所谓的“抄板”工作）。

       1、主电路一致，都是典型BOOST升压电路，使用MOSFET作为开关器件。

       2、控制芯片竟然也一致UC3843，电流型PWM控制芯片，只不过是芯片外围电路和参数略有不同。

 

二、学习UC3843芯片

       网上对UC3843系列芯片使用讲述得并不透彻，要想吃透惟有官方文件了，但UC3843的PDF版本也很多，我找到的最好版本是UC3843(Rev. 15)，另外一个UC3843A作为补充（已打包在附件），吃透后先搭建最简单的实用电路（省去繁杂功能也便于大家理解）。模块功能就不详细解释了，去啃下PDF吧，我就把几个设计要点和计算方法给大家讲述清楚。

图2   UC3843系统图

       1、设置PWM最大占空比和频率

       网上有经验公式，但是没有写限定条件，转头看看官方文件其实没有必要使用经验公式，现在电脑和计算器都有ln函数，还是自己动手算吧，朋友们不要怕麻烦。

       PWM脉冲由RT和CT谐振产生，设计RT和CT参数时，先设计最大占空比确定RT，再通过频率确定CT的数值。

       PDF中讲述了，PWM波形的最大占空比仅由RT函数确定，为了保护电路可以通过限制最大占空比来实现，（比如Boost电路中设置最大占空比为50%，那么输出电压最大值就不可能超过输入电压的50%）公式如下所示：

      

       公式中已知量VRT/CT(valley)= 1.2V，VRT/CT(peak)= 2.8V，Vref= 5V，Idischg= 8.3mA，RT为谐振电阻。以我设计的Boost电路为例，为防止输出电压过高，我要求Dmax<70%，于是电阻就选择了比较常见的RT=1KΩ，Dmax=64.2%。

表1   RT与Dmax关系表

       选择电阻后再根据PDF文件中提供的频率图选择电阻，比如我希望PWM适当高些大于50KHz，可以减小电感量，那么找到0.8上的第二根水平线与50K竖直线的交叉处，估算到CT应该大于10nF，估计在15nF以上，看看自己的贴片电容情况，挑选比较接近的22nF的电容，CT=22nF。

图3   频率设置曲线图

       估算完毕后，可以依据公式核算（PDF上有说明的计算一般都有10%的误差，原因是电阻和电容的标称值都有1%~5%的误差以及温度影响）。

      

       计算值53.4KHz，实际值53.7KHz，比较准确了。

       2、电压反馈环节设计

       就采用最基本的方案，2脚电压反馈输入，1脚电压反馈补偿输入，如图4所示。

图4   电压反馈环节设计

       2脚的参考电压是2.5V，Rf要求大于8.8K，我的频率不是特别高，反馈也不是要求响应特别快，因此选用大家用得多的参数Rf=100K，Cf=100pF。

       调节Ri和Rd的数值，就可以调节输出电压了，计算公式是：

VO=2.5*(Rd+Ri)/Rd

       3、电流反馈环节设计

图5   电流反馈环节设计

       3脚是电流反馈输入，参考电压值是1V（超过1V时响应，减小PWM占空比）限流靠设计RS的值，我设计时由于没有合适电阻（要同时考虑阻值和功率），只能将就选择0.05Ω/2W的电阻串上一个保险丝来代替（我估计在平均电流小时应该有0.07欧左右，平均电流大时应该有0.15欧电阻，这样可以限制电流6.5A以内）。R的值比较随意，一般就是常见的1K和10K都行，但是C的值就不能太大了，不然电流反馈的延时就太大了，很容易造成过流时间太长PWM芯片才有响应的问题，而选择太小了就容易受到尖峰的干扰，我选择电阻1K，电容200pF，在54KHz的频率下对电流限制还不错。

三、设计主电路参数

      

图6   Boost电路结构

       基本结构如图6所示，就不再描述工作原理了。（随便一本电力电子书都会有的）。主电路参数设置如下：

       1、Vin工作电压  12~18V

       2、Vout工作电压  20.5V

       3、电感  100mH，6A工作电路（我手头功率电感最小的就是100mH了，开关频率高时，电感量要不了这么大）

       在设计参数时，最重要的是开关频率和电感平均电流，给大家一个用Matlab-simulink搭建的简易开环Boost模型，可以自己设置参数波形是否合理。注意我的模型是开环的，启动时冲击电流很大，可以不管，因为UC3843中电流反馈可以实现软起动，只要注意看稳态时电感上的平均电流就可以了，电感电流选择上最好留50%的余量。（已打包在附件）

四、电路原理图

图7   基于UC3843的Boost升压电路原理图

解释：

       1、R7、R10、R9构成输出电压反馈环节，调节R10就能改变输出电压了。这里电阻R9设置为7K是为了防止电压升得太高，如果你需要的电压较高就的适当减少R9。

Vmax=2.5*(7K+51K)/7K=20.7 V

Vmin=2.5*(10K+7K+51K)/(10K+7K)=10 V

       2、电阻R4，保护Mosfet，防止源极开路。

       3、二极管D2一定要用低导通压降的肖特基二极管，最好能装散热片的。

       4、输入输出两端的支撑电容当然越大越好，不过我这个参数下1000uF时，输出已经非常好了，特别提醒大家电容是有耐压值的，如果你要输出30V，却用25V耐用电容，通电时间稍微长点就会爆电容的，非常可怕啊！

       5、由于大家的元器件尺寸不同，就不提供PCB图了，直接上我第一版实物了（后续肯定会更小巧）

图8 实物正视图

图9  实物侧视图

图10   实物背面图

五、小结

       1、UC3843是一款不错的PWM芯片，有两个反馈环，电压环精确稳压，电流反馈可以限流保护，比单独用单片机成本低，可靠性高，同时不占用单片机资源。

       2、使用的基本是UC3843最精简的外围结构，适合初学者入手制作。

       3、如果后续配上高频变压器，使用的方式就更加丰富了。

       4、市面上还有款芯片TL494可以代替UC3843，功能差不多。

       希望这篇能写透，使用UC3843其实非常简单的，祝愿大家学会后玩得开心，疏忽之处请见谅。

    大家喜欢请多顶贴，呵呵。（不久将公布升压型MPPT太阳能控制器的完整测试和原理图。）Boost附件.rar