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。該拓撲電路具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、效率高、輸出電壓交叉調(diào)整率高的優(yōu)點。研制了一臺基于該技術(shù)的樣機，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。該樣機滿載效率為88．9％，全負載范圍內(nèi)交叉調(diào)整率為0．5％，驗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撲電路，通過簡單增加變壓器的次級繞組路數(shù)以實現(xiàn)多路輸出。由于變壓器漏感、繞組電阻以及次級功率元器件參數(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，當輸出電感電流不連續(xù)時，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，但仍無法實現(xiàn)精確穩(wěn)壓；另外，當耦合電感的匝比不能與變壓器次級繞組匝比完全相同時，會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，導致輸出紋波加大。
目前實現(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，同時二次穩(wěn)壓電路還會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“時間分配”后級調(diào)整控制方式提高穩(wěn)壓精度，但增加了變換器的復雜程度。
這幾種穩(wěn)壓方式都是在次級輔助繞組上進行研究，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)多路獨立調(diào)節(jié)以達到精密穩(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；一旦磁芯材料達到飽和，開關(guān)就接通，電流開始輸出。這是因為該磁芯在進入飽和時，其磁導率要經(jīng)過3～4數(shù)量級的急劇變化。

磁放大器穩(wěn)壓技術(shù)是通過控制變壓器次級線圈電壓脈沖的脈寬來實現(xiàn)的。其原理如下：首先可以將磁放大器理解為一個PWM“磁開關(guān)”，在磁放大器飽和后，相當于“磁開關(guān)”ON，變壓器次級方波脈沖通過，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位，退出飽和區(qū)，此時磁放大器相當于一個很大的電感，阻止變壓器次級方波脈沖通過，即PWM“磁開關(guān)”OFF，這樣方波脈沖便會被“斬波”一部分，于是輸出電壓自然會下降，從而達到穩(wěn)壓的目的。