行業(yè)技術(shù)分享：一種基于2KW高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

引言

近年來，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)。

設(shè)計(jì)內(nèi)容和方法

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)榘霕颉⑷珮蜃儞Q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。

圖1 移相控制全橋變換電路原理圖

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。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。

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。

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

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)。

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