一種高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法

0. 引言

　　近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，郵電通信、交通設(shè)施、儀器儀表、工業(yè)設(shè)施、家用電器等越來(lái)越多地應(yīng)用開關(guān)電源 ，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)大功率電源的需求也就越來(lái)越大。與此同時(shí)大量集成電路、超大規(guī)模集成電路等電子通信設(shè)備日益增多，要求電源的發(fā)展趨勢(shì)是小型化、輕量化。通常濾波電感、電容和變壓器的體積和重量比較大，因此主要是靠減少它們的體積來(lái)實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化。

　　我們可以通過減少變壓器的繞組匝數(shù)和金減小鐵心尺寸來(lái)提高工作頻率，但在提高開關(guān)頻率的同時(shí)，開關(guān)損耗會(huì)隨之增加，電路效率會(huì)嚴(yán)重下降。針對(duì)這些問題出現(xiàn)了軟開關(guān)技術(shù)，它利用以諧振為主的輔助換流手段，解決了電路中的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲問題，使開關(guān)電源能高頻高效地運(yùn)行，從20世紀(jì)70年代以來(lái)國(guó)內(nèi)外就開始不斷研究高頻軟開關(guān)技術(shù)，目前已比較成熟，下面以2KW的電源為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　1.設(shè)計(jì)內(nèi)容和方法

　　1.1主電路型式的選擇

　　變換電路的型式主要根據(jù)負(fù)載要求和給定電源電壓等技術(shù)條件進(jìn)行選擇。在幾種常用的變換電路中，因?yàn)榘霕?、全橋變換電路功率開關(guān)管承受的電壓比推挽變換電路低一倍，由于市電電壓較高，所以不選推挽變換電路。半橋變換電路與全橋變換電路在輸出同樣功率時(shí)，半橋變換電路的功率開關(guān)管承受二倍的工作電流，不易選管，輸出功率較全橋小，所以采用全橋變換電路。

　　傳統(tǒng)的全橋變換電路開關(guān)元件在電壓很高或電流很大的條件下，在門極的控制下開通或關(guān)斷，開關(guān)過程中電壓、電流均不為零，出現(xiàn)重疊，導(dǎo)致了開關(guān)損耗。開關(guān)損耗隨開關(guān)頻率增加而急劇上升，使電路效率下降，阻礙了開關(guān)頻率的提高。在移相控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用功率管的輸出電容和輸出變壓器的漏電感作為諧振元件，使全橋變換器四個(gè)開關(guān)管依次在零電壓下導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)恒頻軟開關(guān)。由于減少了開關(guān)過程損耗，變換效率可達(dá)80%-90%，并且不會(huì)發(fā)生開關(guān)應(yīng)力過大。所以選用移相控制全橋型零電壓開關(guān)脈寬調(diào)制（PSC FB ZVS-PWM）變換電路。

　　移相控制全橋變換電路是目前應(yīng)用最為廣泛的軟開關(guān)電路之一，它的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，與傳統(tǒng)的硬開關(guān)電路相比，并沒有增加輔助開關(guān)等元件。原理如圖1所示，主要由四個(gè)相同的功率管和一個(gè)高頻變壓器壓器組成。E為輸入直流電壓， T1～T4 為開關(guān)管， D1～D4 為體內(nèi)二極管，C1 ～C4 為開關(guān)的輸出電容。以第一個(gè)橋臂為例介紹，利用變壓器漏感和功率輸出電容C1 諧振，漏感儲(chǔ)能向電容 C1釋放過程中，使電容上的電壓逐步下降到零，體內(nèi)二極管D1開通，創(chuàng)造了T1 的ZVS條件。

圖1 移相控制全橋變換電路原理圖

　　1.2 控制方式

　　控制方式是指變換器控制電路通過何種途徑控制主電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制目的，達(dá)到自動(dòng)穩(wěn)壓或穩(wěn)流的要求。傳統(tǒng)的PWM型電子開關(guān)開通和關(guān)斷開關(guān)上同時(shí)存在電壓、電流，損耗比較大，零電壓開關(guān)-脈寬調(diào)制變換器（ZVS-PWM）是電子開關(guān)在兩端電壓為零時(shí)導(dǎo)通電流為零時(shí)關(guān)斷，開通、關(guān)斷損耗理想值為零。在此選用典型的UC3875構(gòu)成的移相控制全橋零電壓開關(guān)-脈寬調(diào)制變換電路。

　　1.2.1 UC3875控制芯片

　　UC3875是美國(guó)UNITRODE公司針對(duì)移相控制方案推出的專用芯片。UC3875可對(duì)全橋開關(guān)的相位進(jìn)行相位移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)定頻脈寬調(diào)制控制。UC3875其外型有20引腳封裝和28引腳封裝，在此以20引腳為例介紹一下該器件。

　　1.2.1.1內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖和管腳功能

　　內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖如下圖所示：

圖2  UC3875內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖[!--empirenews.page--]

　　管腳功能如下：1腳（Vref），基準(zhǔn)電壓；2腳（E/A OUT），誤差放大器的反相輸出；3腳（E/A-）誤差放大器的反相輸入；4腳（E/A+）誤差放大器的同相輸入；5腳（C/S+）電流檢測(cè)；6腳（SOFRSTART）軟起動(dòng)；7腳（DELAY SET C/D）輸出延遲控制；8腳（OUT D）輸出D；9腳（OUT C）輸出C；10腳（Vcc ）電源電壓；11腳（ Vin）芯片供電電源；12腳（PWR GND）電源地；13腳（OUTB）輸出B；14腳（OUTA）輸出A；15腳（DELAY SETA/B）輸出延遲控制；16腳（FREQ SET）頻率設(shè)置端；17腳（CLOCK/SYNC）時(shí)鐘/同步；18腳（SLOPE）陡度；19腳（斜波）20腳（信號(hào)地）。

　　1.2.1.2 UC3875的工作

　　1腳輸出+5V基準(zhǔn)電壓，可作為內(nèi)部或外部電路的其他元件的電源。2腳作為電壓反饋控制端，當(dāng)引輸出信號(hào)高到一定值時(shí)，由內(nèi)部RS觸發(fā)器及門電路作用使C輸出與A輸出反相，即A、C輸出信號(hào)移相180度；同樣，當(dāng)引腳2輸出信號(hào)低于1V時(shí)，通過內(nèi)部RS觸發(fā)器及門電路作用使C輸出與A輸出同相，即A、C輸出信號(hào)移相0度。可見通過控制引腳2端的輸出可以控制A、C間相位在0~180度之間變化。B、D的工作原理與A、C相似。 3腳作為誤差放大器的反相輸入端，通常利用分壓電阻檢測(cè)輸出電源電壓。4腳作為誤差放大器的同相輸入端，和1腳基準(zhǔn)電壓相連，檢測(cè)3腳的輸出電源電壓。5腳作為電流檢測(cè)端，其基準(zhǔn)設(shè)置為內(nèi)部固定2.5V（由 分壓），當(dāng)電壓超過2.5V時(shí)輸出即被關(guān)斷，軟起動(dòng)6腳復(fù)位，即可實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。7腳和15腳作為輸出延遲控制端，通過設(shè)置該腳對(duì)地之間的電流來(lái)設(shè)置死區(qū)，加在同一橋臂兩管驅(qū)動(dòng)脈沖之間，以實(shí)現(xiàn)零電壓開通時(shí)的瞬態(tài)時(shí)間。8、9、13、14腳作為輸出端，可驅(qū)動(dòng)MOSFET和變壓器。10腳作為電源電壓端，為輸出級(jí)提供所需電源。11腳 作為芯片供電電源，為芯片內(nèi)部數(shù)字、模擬電路部分提供電源，內(nèi)部有欠壓鎖定電路，其開啟閾值為10.75V，關(guān)閉閾值為9.25V。開啟和關(guān)閉之間有1.5V的回差，可有效防止電路在閾值電壓附近工作時(shí)的跳動(dòng)。16腳作為頻率設(shè)置端，需外接電阻和電容來(lái)設(shè)置振蕩頻率。17腳作為輸出時(shí)，提供時(shí)鐘信號(hào)；作為輸入，提供同步點(diǎn)。18腳作為陡度端，需外接一個(gè)電阻以產(chǎn)生斜波。19腳作為斜波端，需外接電容到地。20腳作為信號(hào)地，是所有電壓的參考基準(zhǔn)。

　　1.2.2控制電路

　　控制電路的原理圖主要部分如圖3所示。

圖3   控制電路原理圖

　　UC3875的核心是相位調(diào)制器， 其13腳B輸出信號(hào)與14腳A輸出信號(hào)反相， 9腳C輸出信號(hào)與8腳D輸出信號(hào)反相， 這四個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)擴(kuò)流后由驅(qū)動(dòng)變壓器去驅(qū)動(dòng) ～ MOS管。相位控制的特點(diǎn)體現(xiàn)在UC3875的四個(gè)輸出端具有相同的驅(qū)動(dòng)脈沖分別驅(qū)動(dòng)A／B、C／D兩個(gè)半橋，通過移相錯(cuò)位控制有源時(shí)間，使全橋的四個(gè)開關(guān)輪流導(dǎo)通。每個(gè)輸出級(jí)導(dǎo)通前都有一個(gè)死區(qū)，而且可以調(diào)整死區(qū)時(shí)間。在該死區(qū)時(shí)間內(nèi)確保下一個(gè)功率開關(guān)器件的輸出電容放電完畢，為即將導(dǎo)通的開關(guān)器件提供電壓開通條件。因此，每對(duì)輸出級(jí)（A/B，C/D）的諧振開關(guān)作用時(shí)間，可以單獨(dú)控制。在全橋變換拓?fù)淠Ｊ较?，移相控制的?yōu)點(diǎn)得到最充分的體現(xiàn)。UC3875在電壓模式和電流模式下均可工作，并具有過電流關(guān)斷以實(shí)現(xiàn)故障的快速保護(hù)。圖4為移相控制全橋電路的控制波形。

圖4  移相控制全橋電路的控制波形

　　移相控制全橋電路的控制方式有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

　?。?）在同一開關(guān)周期Ts 內(nèi)，每一個(gè)開關(guān)的導(dǎo)通的時(shí)間略小于Ts /2，而關(guān)斷時(shí)間都略大于 Ts/2。

　　（2）同一個(gè)半橋中上下兩個(gè)開關(guān)不能同時(shí)處于通態(tài)，每一個(gè)開關(guān)關(guān)斷到另一個(gè)開關(guān)開通都要經(jīng)過一定的死區(qū)時(shí)間。

　?。?）比較互為對(duì)角的兩對(duì)開關(guān)T1 、T2 和 T3、T4 開關(guān)函數(shù)波形， T1的波形比T2 超前0～Ts /2時(shí)間，而T3 的波形比 T4超前0～ Ts/2時(shí)間，因此 T1和T3 稱為超前橋臂，而 T2和 T4稱為滯后橋臂。

　　2.結(jié)束語(yǔ)

　　本文介紹了由UC3875芯片作為控制電路的2KW移相控制全橋變換（PSC FB ZVS-PWM）軟開關(guān)電源，由于開關(guān)管在ZVS條件下運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)高頻化，而且控制簡(jiǎn)單，性能可靠，適用于大功率場(chǎng)合。且能保持恒頻運(yùn)行，就不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)大電壓、大電流，減少了開關(guān)所受的應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)了高效化。大大減小了電源的體積。