基于UC3846的新型開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

摘要：研究了一種新型開關(guān)電源的設(shè)計(jì)。它采用移相全橋PWM控制電路，輸出較大的功率，并具有體積小、重量輕、開關(guān)頻率高等優(yōu)點(diǎn)。給出了各部分相應(yīng)的電路圖，并進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

關(guān)鍵詞：軟開關(guān)；開關(guān)電源；變壓器

引言

近年來(lái)，隨著航空、航天和計(jì)算機(jī)事業(yè)的發(fā)展，對(duì)電源在體積、重量和效率等方面提出了越來(lái)越高的要求。開關(guān)電源就是在這種情況下發(fā)展起來(lái)的一種小型電源。它具有體積小、重量輕、頻率高、成本低、效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，由于它的線路簡(jiǎn)單，可靠性高，而被廣泛地應(yīng)用于航空、航天和電子計(jì)算機(jī)等方面。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)由UC3846產(chǎn)生PWM進(jìn)行脈寬調(diào)制的移相全橋開關(guān)電源。

1 開關(guān)電源主電路的設(shè)計(jì)

在主電路中采用了移相全橋軟開關(guān)電路，如圖1所示。

圖1

在此電路中，輸入為AC220V電壓，經(jīng)過二極管整流橋把交流電變成直流電，為了消除此直流電壓的脈動(dòng)，在設(shè)計(jì)時(shí)采用了π型濾波電路。后接一個(gè)移相全橋軟開關(guān)電路，使功率管實(shí)現(xiàn)零電壓零電流開通和關(guān)斷，將電路在工作時(shí)的功率損耗減至最小。輸出為23V/15A和200V/0.8A，總功率P=22315＋22000.8=1010W，因此，也可以稱此開關(guān)電源為大功率開關(guān)電源。

變壓器的設(shè)計(jì)是該電源的一個(gè)關(guān)鍵部分，而常規(guī)設(shè)計(jì)采用一大堆繁雜的公式進(jìn)行推導(dǎo)，運(yùn)算量較大，難免造成結(jié)果錯(cuò)誤。鑒于此，本文采用圖表的方法對(duì)原、副邊進(jìn)行設(shè)計(jì)，并考慮開關(guān)管導(dǎo)通壓降等實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)微調(diào)。該變壓器的具體設(shè)計(jì)如下。

式中：n1，n2為一、二次繞組的股數(shù)；

dp，dz為一、二次繞組的線徑；

S0K0為磁芯窗口使用面積；

Np，Nz為一、二次繞組的匝數(shù)。

U1為輸入直流電壓；

U1r為整流管壓降；

U1T為每匝電壓值；

D為占空比，本設(shè)計(jì)D為0.6。

變壓器的工作頻率選100kHz，繞組的線徑可以選為0.5mm。根據(jù)計(jì)算，變壓器磁芯選EI－50型鐵氧體磁芯，查電子變壓器手冊(cè)可知窗口使用面積為48.97mm2，每匝電壓值為8.044V/匝。由此可得原邊匝數(shù)為29匝，副邊分別為6匝和45匝，經(jīng)過實(shí)際的調(diào)試，最終確定為原邊29匝，副邊分別為5匝和44匝。在這種情況下，該開關(guān)電源運(yùn)行良好。

應(yīng)用全橋電路，要特別注意上下兩個(gè)功率管的直通問題，如果出現(xiàn)直通，功率管將燒毀，甚至整個(gè)電源全部毀掉。在這個(gè)開關(guān)電源中，我們采用了UC3846產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，用IR2110來(lái)驅(qū)動(dòng)功率管，很好地避免了這個(gè)問題的發(fā)生。

2 PWM產(chǎn)生電路

由于UC3846能同時(shí)產(chǎn)生兩路PWM的輸出，用一塊UC3846就可以來(lái)驅(qū)動(dòng)兩塊IR2110，這給設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的方便，這樣也可以滿足體積小的要求。UC3846的引腳及PWM產(chǎn)生電路如圖2所示。

圖2中，UC3846的引腳13和15接40V電源，它所產(chǎn)生的PWM的頻率用式（1）計(jì)算。

UC3846產(chǎn)生的PWM信號(hào)由引腳11和14輸出來(lái)控制IR2110，由2塊IR2110來(lái)產(chǎn)生4個(gè)功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

IR2110采用14端DIP封裝，引出端排列如圖3所示。

它的各引腳功能如下：

腳1（LO）是低端通道輸出；

腳2（COM）是公共端；

腳3（Vss）是低端固定電源電壓；

腳5（Us）是高端浮置電源偏移電壓；

腳6(UB)是高端浮置電源電壓；

腳7（HO）是高端輸出；

腳9（VDD）是邏輯電路電源電壓；

腳10（HIN）、腳11（SD）、腳12（LIN）均是邏輯輸入；

腳13（Vss）是邏輯電路地電位端外加電源電壓，其值可以為0V；

腳4、腳8、腳14均為空端。

它的功能原理圖如圖4所示。

圖4

IR2110采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS工藝制作，具有獨(dú)立的高端和低端輸出通道；邏輯輸入與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS輸出兼容；浮置電源采用自舉電路，其工作電壓可達(dá)500V，du/dt=50V/ns，在15V下的靜態(tài)功耗僅有1.6mW；輸出的柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍為10～20V，邏輯電源電壓范圍為5～15V，邏輯電源地電壓偏移范圍為－5V～＋5V。IR2110采用CMOS施密特觸發(fā)輸入，兩路具有滯后欠壓鎖定。推挽式驅(qū)動(dòng)輸出峰值電流≥2A，負(fù)載為1000pF時(shí)，開關(guān)時(shí)間典型值為25ns。兩路匹配傳輸導(dǎo)通延時(shí)為120ns，關(guān)斷延時(shí)為94ns。IR2110的腳10可以承受2A的反向電流。

圖5給出了IR2110在本設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)全橋電路功率管的電路。IR2110的開通與關(guān)斷傳輸延遲時(shí)間是接近匹配的（失配時(shí)間不大于10ns），開通傳輸延遲時(shí)間比關(guān)斷傳輸延遲時(shí)間長(zhǎng)25ns，這就保證了功率管在工作時(shí)不會(huì)發(fā)生重疊導(dǎo)通，為了更加安全起見，可在功率管的柵極上加一電阻與二極管網(wǎng)絡(luò)（如圖5中所示），這些電阻、二極管網(wǎng)絡(luò)可進(jìn)一步延遲功率管的導(dǎo)通而對(duì)其關(guān)斷沒有影響，這就相當(dāng)于增加了死區(qū)時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，該開關(guān)電源已投入使用，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，具有非常可靠的性能。實(shí)踐證明，開關(guān)電源具備體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)的應(yīng)用中，開關(guān)電源必將占據(jù)主導(dǎo)地位。