一款2KW高頻開關(guān)電源電路的設(shè)計方案

與此同時，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)展趨勢是小型化、輕量化。本文主要針對濾波電感、電容和變壓器的體積和重量比較大，因此提出了一款2KW高頻開關(guān)電源電路的設(shè)計方案，通過方案中的電源電路的設(shè)計方法，達到了以減少它們的體積來實現(xiàn)小型化、輕量化。

0 引言

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提高工作頻率，但在提高開關(guān)頻率的同時，開關(guān)損耗會隨之增加，電路效率會嚴重下降。針對這些問題出現(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行，從20世紀70年代以來國內(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，下面以方案中2KW的電源為例進行設(shè)計。

1 設(shè)計內(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)負載要求和給定電源電壓等技術(shù)條件進行選擇。在幾種常用的變換電路中，因為半橋、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，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，使全橋變換器四個開關(guān)管依次在零電壓下導(dǎo)通，實現(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80%-90%,并且不會發(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，它的特點是電路簡單，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，主要由四個相同的功率管和一個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現(xiàn)自動控制目的，達到自動穩(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)在兩端電壓為零時導(dǎo)通電流為零時關(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。

2 UC3875芯片控制電路的設(shè)計

2.1 UC3875控制芯片

UC3875是美國UNITRODE公司針對移相控制方案推出的專用芯片。UC3875可對全橋開關(guān)的相位進行相位移動，實現(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。

2.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖和管腳功能

圖2 UC3875內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖

內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖如下圖所示： 管腳功能如下：1腳(Vref)，基準電壓;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;6腳(SOFRSTART)軟起動;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)時鐘/同步;18腳(SLOPE)陡度;19腳(斜波)20腳(信號地)。

2.3 UC3875的工作

1 腳輸出+5V基準電壓，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，當引輸出信號高到一定值時，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輸出信號移相180度;同樣，當引腳2輸出信號低于1V時，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輸出信號移相0度?？梢娡ㄟ^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腳基準電壓相連，檢測3腳的輸出電源電壓。5 腳作為電流檢測端，其基準設(shè)置為內(nèi)部固定2.5V(由 分壓)，當電壓超過2.5V時輸出即被關(guān)斷，軟起動6腳復(fù)位，即可實現(xiàn)過流保護。7腳和15腳作為輸出延遲控制端，通過設(shè)置該腳對地之間的電流來設(shè)置死區(qū)，加在同一橋臂兩管驅(qū)動脈沖之間，以實現(xiàn)零電壓開通時的瞬態(tài)時間。8、9、13、14腳作為輸出端，可驅(qū)動MOSFET和變壓器。10腳作為電源電壓端，為輸出級提供所需電源。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的跳動。16腳作為頻率設(shè)置端，需外接電阻和電容來設(shè)置振蕩頻率。17腳作為輸出時，提供時鐘信號;作為輸入，提供同步點。18腳作為陡度端，需外接一個電阻以產(chǎn)生斜波。19腳作為斜波端，需外接電容到地。20腳作為信號地，是所有電壓的參考基準。

2.4 控制電路

控制電路的原理圖主要部分如圖3所示。 UC3875的核心是相位調(diào)制器， 其13腳B輸出信號與14腳A輸出信號反相， 9腳C輸出信號與8腳D輸出信號反相， 這四個驅(qū)動信號經(jīng)擴流后由驅(qū)動變壓器去驅(qū)動 ~ MOS管。相位控制的特點體現(xiàn)在UC3875的四個輸出端具有相同的驅(qū)動脈沖分別驅(qū)動A/B、C/D兩個半橋，通過移相錯位控制有源時間，使全橋的四個開關(guān)輪流導(dǎo)通。每個輸出級導(dǎo)通前都有一個死區(qū)，而且可以調(diào)整死區(qū)時間。在該死區(qū)時間內(nèi)確保下一個功率開關(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，每對輸出級(A/B,C/D)的諧振開關(guān)作用時間，可以單獨控制。在全橋變換拓撲模式下，移相控制的優(yōu)點得到最充分的體現(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)斷以實現(xiàn)故障的快速保護。

圖3 控制電路原理圖

3 移相控制全橋電路的波形分析

3.1 移相控制全橋電路的控制方式有以下幾個特點：

(1)在同一開關(guān)周期Ts 內(nèi)，每一個開關(guān)的導(dǎo)通的時間略小于Ts /2,而關(guān)斷時間都略大于 Ts/2.

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

(3)比較互為對角的兩對開關(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時間，而T3 的波形比 T4超前0~ Ts/2時間，因此 T1和T3 稱為超前橋臂，而 T2和 T4稱為滯后橋臂。

3.2 移相控制全橋電路的控制波形圖

移相控制全橋電路的控制波形如下圖4所示。

圖4 移相控制全橋電路的控制波形圖

4 結(jié)束語

本文提出了由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)電源的設(shè)計方案，由于開關(guān)管在ZVS條件下運行，可實現(xiàn)高頻化，而且控制簡單，性能可靠，適用于大功率場合。通過驗證，該方案中所設(shè)計的開關(guān)電源，不僅能保持恒頻運行，不會同時出現(xiàn)大電壓、大電流，減少了開關(guān)所受的應(yīng)力;而且還實現(xiàn)了高效化，大大減小了電源的體積，具有較高的實用性。