多路精密穩(wěn)壓電源的研究

摘要：在傳統(tǒng)多路輸出開關(guān)電源中，存在輸出電壓交叉調(diào)整率低和輔助回路穩(wěn)壓精度差的難題。針對此問題，詳細(xì)分析了磁放大器穩(wěn)壓原理和基于磁放大技術(shù)的有源箝位正激變換器工作特性，提出了一種基于固定占空比、峰值控制模式、磁放大器調(diào)節(jié)的多路輸出有源箝位軟開關(guān)正激變換器。該拓?fù)潆娐肪哂谐杀镜?、結(jié)構(gòu)簡單、效率高、輸出電壓交叉調(diào)整率高的優(yōu)點(diǎn)。研制了一臺(tái)基于該技術(shù)的樣機(jī)，開關(guān)頻率為45 kH,額定輸入直流電壓220 V,輸出5 V/10 A和24 V/2 A的開關(guān)電源。該樣機(jī)滿載效率為88.9%,全負(fù)載范圍內(nèi)交叉調(diào)整率為0.5%,驗(yàn)證了該方案的合理性。

關(guān)鍵詞：電源；有源箝位；磁放大器；交叉調(diào)整率

1 引言

隨著電子器件技術(shù)的快速發(fā)展和電路規(guī)模的不斷增大，對多路隔離輸出開關(guān)電源的需求越來越多。常規(guī)的多路輸出開關(guān)電源大都采用反激或正激的拓?fù)潆娐罚ㄟ^簡單增加變壓器的次級(jí)繞組路數(shù)以實(shí)現(xiàn)多路輸出。由于變壓器漏感、繞組電阻以及次級(jí)功率元器件參數(shù)的一致性偏差等因素的影響，造成輔助回路輸出電壓的穩(wěn)壓精度較差。尤其是對于正激變換器，當(dāng)輸出電感電流不連續(xù)時(shí)，輔助繞組的穩(wěn)壓精度更差。

針對正激變換器，通常采用耦合電感的方式來提高輔助回路的輸出穩(wěn)壓精度。該方法僅在一定程度上提高了輔助繞組的穩(wěn)壓精度，但仍無法實(shí)現(xiàn)精確穩(wěn)壓；另外，當(dāng)耦合電感的匝比不能與變壓器次級(jí)繞組匝比完全相同時(shí)，會(huì)在耦合電感中引起不同的互感電勢，在兩路輸出之間引起環(huán)流，導(dǎo)致輸出紋波加大。

目前實(shí)現(xiàn)多路穩(wěn)壓的方式主要有4大類：輔助繞組采用線性穩(wěn)壓方式、采用開關(guān)電源二次穩(wěn)壓方式、采用同步開關(guān)或磁放大器的后置調(diào)節(jié)方式、通過正激變換器輸出濾波電感的耦合繞組達(dá)到多路輸出的目的。其中，線性穩(wěn)壓方式是最簡單的一種，但效率很低。采用開關(guān)電源二次穩(wěn)壓的方式效率高，但成本也較高，同時(shí)二次穩(wěn)壓電路還會(huì)在一定程度上影響主電路的工作。采用磁放大器和采用同步開關(guān)的后置調(diào)節(jié)方式在穩(wěn)壓原理上屬于同一種類型，效率較高。通過輸出濾波電感耦合繞組實(shí)現(xiàn)多路輸出的方式有很大的局限性，耦合繞組的輸出功率很小，可采用磁放大的“時(shí)間分配”后級(jí)調(diào)整控制方式提高穩(wěn)壓精度，但增加了變換器的復(fù)雜程度。

這幾種穩(wěn)壓方式都是在次級(jí)輔助繞組上進(jìn)行研究，無法解決主反饋輸出回路和輔助輸出回路間的交叉調(diào)整率問題。在主輸出繞組空載，輔助繞組輸出滿載的情況下，都無法實(shí)現(xiàn)輔助繞組的精密穩(wěn)壓。這里在分析磁放大穩(wěn)壓技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)多路獨(dú)立調(diào)節(jié)以達(dá)到精密穩(wěn)壓的有源箝位正激變換電路。采用無死區(qū)柵極電荷維持法的同步整流電路，可進(jìn)一步提高變換效率。采用固定伏秒值的控制方式代替固定占空比的模式可進(jìn)一步優(yōu)化磁放大器的工作狀態(tài)。

2 工作原理

2.1 磁放大器工作原理

磁放大器的核心是一個(gè)由軟磁合金制成帶有矩形磁滯回線的環(huán)形磁芯。多數(shù)情況下，只有一組線圈用來工作及控制去磁電流。磁放大器對于磁芯材料要求非常高，不僅要求低磁性反轉(zhuǎn)損耗，同時(shí)還要有矩形磁滯回線及容易飽和的特性。

圖1為磁放大器的磁滯回線特性曲線。磁放大器的功能可描述成類似于開關(guān)晶體管的高速磁開關(guān)。矩形磁滯回線有兩種工作狀態(tài)：只要磁芯去磁，開關(guān)就斷開，電流不能輸出；一旦磁芯材料達(dá)到飽和，開關(guān)就接通，電流開始輸出。這是因?yàn)樵摯判驹谶M(jìn)入飽和時(shí)，其磁導(dǎo)率要經(jīng)過3~4數(shù)量級(jí)的急劇變化。

磁放大器穩(wěn)壓技術(shù)是通過控制變壓器次級(jí)線圈電壓脈沖的脈寬來實(shí)現(xiàn)的。其原理如下：首先可以將磁放大器理解為一個(gè)PWM“磁開關(guān)”,在磁放大器飽和后，相當(dāng)于“磁開關(guān)”O(jiān)N,變壓器次級(jí)方波脈沖通過，其幅值乘以占空比等于輸出電壓。若輸出電壓升高，控制電路使磁放大器復(fù)位，退出飽和區(qū)，此時(shí)磁放大器相當(dāng)于一個(gè)很大的電感，阻止變壓器次級(jí)方波脈沖通過，即PWM“磁開關(guān)”O(jiān)FF,這樣方波脈沖便會(huì)被“斬波”一部分，于是輸出電壓自然會(huì)下降，從而達(dá)到穩(wěn)壓的目的。

圖2為磁放大器前后電壓波形圖。t01~t04為一個(gè)完整的開關(guān)周期，磁放大器的控制就是通過電壓閉環(huán)，在t03~t04時(shí)間段調(diào)節(jié)磁放大器的反向復(fù)位電流來實(shí)現(xiàn)的。

S1為復(fù)位區(qū)，S2為延遲區(qū)，S1的面積與S2的面積相等，控制電路通過控制S1的大小來調(diào)節(jié)S2的大小。當(dāng)輸出電壓低于設(shè)定值時(shí)，電壓閉環(huán)減小磁放大器復(fù)位電流ires,S1的面積減小，相應(yīng)的下一個(gè)周期的S2的面積也減小，通過磁放大器脈沖的占空比增大，輸出電壓升高，達(dá)到穩(wěn)壓目的。

2.2 主拓?fù)潆娐饭ぷ髟?/P>

圖3為多路輸出變換器原理圖。該變換器采用改進(jìn)的有源箝位正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主回路采用固定占空比、峰值電流模式的控制方式；次級(jí)采用磁放大穩(wěn)壓技術(shù)，通過對變壓器次級(jí)線圈電壓脈沖的脈寬進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)精密穩(wěn)壓。其中箝位開關(guān)VS2和主功率開關(guān)VS1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)。

箝位電容C1上的電壓uC1=DUin/（1-D），VS1上的箝位電壓Udc=Uin/（1-D），D為占空比。為簡化分析，假設(shè)輸出濾波電感足夠大，該變換器處于連續(xù)工作狀態(tài)。變壓器是等效勵(lì)磁電感為Lm、次級(jí)漏感為Lr的理想變壓器，VD1和VD2分別為VS1和VS2的體二極管。

傳統(tǒng)有源箝位正激變換器很難實(shí)現(xiàn)VS1的ZVS.圖3中在傳統(tǒng)電路的次級(jí)整流二極管上串聯(lián)了磁飽和電感，延緩了整流二極管的開通時(shí)間。在VS2關(guān)斷后，磁化電流im將全部用于對Cs的放電，實(shí)現(xiàn)了VS1的ZVS.圖4為改進(jìn)后變換器的主要電量波形，其中由于磁放大器在t0~t1區(qū)間阻止了整流二極管導(dǎo)通，不僅實(shí)現(xiàn)了VS1的ZVS,而且達(dá)到了調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。

11個(gè)區(qū)間電路變化過程如下：

t0~t1階段 t0時(shí)刻，VS1為ZVS.由于磁放大器作用，輸出整流二極管截止，續(xù)流二極管繼續(xù)導(dǎo)通。

t1~t3階段 磁放大器飽和，進(jìn)入“磁開關(guān)”O(jiān)N狀態(tài)。整流和續(xù)流二極管同時(shí)導(dǎo)通，相當(dāng)于變壓器短路。t2時(shí)刻，續(xù)流二極管和整流二極管換流結(jié)束；

t3~t5階段 t3時(shí)刻，VS1關(guān)斷；t4時(shí)刻，VS1上電壓uds上升到Uin;t5時(shí)刻，uds上升到Uin+uC1;

t5~t6階段 VD2導(dǎo)通。im開始線性減小，變壓器進(jìn)入磁復(fù)位過程；

t6~t7階段 t6時(shí)刻，VS2實(shí)現(xiàn)ZVS;

t7~t8階段 t7時(shí)刻，im下降到零，然后反向增大。次級(jí)整流二極管截止，續(xù)流二極管導(dǎo)通，磁放大器反向復(fù)位；

t8~t9 t8時(shí)刻，VS2關(guān)斷，uds開始減??；

t9~t10 t9時(shí)刻，uds下降到Uin,im開始減小。在t10時(shí)刻，uds下降到零；

t10~t11 VD1導(dǎo)通。在t11時(shí)刻，VS1實(shí)現(xiàn)ZVS,開始下一個(gè)開關(guān)周期。

其中t0~t1對應(yīng)圖2中S2,在t8~t11區(qū)間，磁放大器始終處于“磁開關(guān)”O(jiān)FF狀態(tài)。由于該電路工作在固定占空比的模式下，每路輸出都通過磁放大技術(shù)進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)，因此完全解決了以往多路輸出變換技術(shù)存在的交叉調(diào)整率的難題。

3 實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證上述分析，設(shè)計(jì)一款輸出約為100 W的開關(guān)電源，主要參數(shù)：輸入直流電壓180~270 V,輸出5 V/10 A和24 V/2 A,開關(guān)頻率為45 kHz,變壓器初級(jí)勵(lì)磁電感為0.8 mH,漏感為0.016 mH,固定占空比為0.6,VS1,VS2選用IRF740,磁放大器采用超微晶磁環(huán)W760.圖5為額定輸入直流電壓220 V,滿載輸出時(shí)，VS1,VS2的漏源極電壓和驅(qū)動(dòng)電壓波形?？梢?，VS1,VS2均實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。圖6為24 V輸出回路在滿載和空載時(shí)磁飽和電感兩端電壓u1和u2的波形。圖中波形驗(yàn)證了磁放大器穩(wěn)壓的工作原理。

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在額定輸入電壓、滿載輸出時(shí)的效率達(dá)到88.9%.在整個(gè)輸入電壓和負(fù)載范圍內(nèi)，兩路輸出的穩(wěn)壓精度和交叉調(diào)整率小于0.5%,驗(yàn)證了系統(tǒng)的正確性。通過增加次級(jí)電路的組數(shù)，就可以很容易獲得更多路高精度的輸出電壓。

4 結(jié)論

低壓大電流多路輸出是開關(guān)電源應(yīng)用的發(fā)展趨勢之一，磁放大器以其簡單、可靠、高效等特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。在此結(jié)合磁放大器的穩(wěn)壓原理和有源筘位正激變換器實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件，提出了一種固定占空比、峰值電流控制模式、各路輸出電壓獨(dú)立調(diào)節(jié)的拓?fù)潆娐贰?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電路在全負(fù)載范圍內(nèi)均實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)變換，同時(shí)穩(wěn)壓精度和交叉調(diào)整率小于0.5%.實(shí)驗(yàn)表明該電路是一種較為理想的多路輸出開關(guān)電源的解決方案。