技術(shù)分享：一款低壓大電流開(kāi)關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)

引言

為了以更低的功耗獲得更高的速度和更佳的性能，要求電源電壓越來(lái)越低，瞬態(tài)性能指標(biāo)越來(lái)越高，因此對(duì)開(kāi)關(guān)電源提出了越來(lái)越高的要求。用原有的電路拓?fù)浼罢鞣绞揭巡荒軡M足現(xiàn)在的要求，為了適應(yīng)IC芯片發(fā)展的需要，人們開(kāi)始研究新的電路拓?fù)?。因?yàn)檩敵鲭妷汉艿停?，同步整流自然成為這種低壓大電流電源的必然選擇，考濾到產(chǎn)品的復(fù)雜程度及產(chǎn)品可靠性，同步整流一般選擇自驅(qū)動(dòng)同步整流，能與自驅(qū)動(dòng)同步整流電路較好結(jié)合的拓?fù)浯笾掠腥N：有源箝位正激變換器；互補(bǔ)控制半橋變換器；兩級(jí)結(jié)構(gòu)變換器。與兩級(jí)結(jié)構(gòu)變換器相比，有源箝位變換器和互補(bǔ)控制半橋變換器所用器件少，更具有吸引力。這兩種變換器拓?fù)淙菀讓?shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，工作頻率可以更高；變壓器的磁芯可以雙向磁化，磁芯的利用率高。針對(duì)一次整流電源輸出的-48V(36~72V)電壓，輸入電壓在較大(36~72V)的范圍內(nèi)變化時(shí)，互補(bǔ)控制的半橋電路副邊所得到的驅(qū)動(dòng)電壓變化范圍太大，已不能適用來(lái)驅(qū)動(dòng)MOSFET管。因此，有源箝位自驅(qū)動(dòng)同步整流正激變換器是低壓大電流開(kāi)關(guān)電源必然選擇的電路拓?fù)洹?/p>

有源箝位同步整流正激變換器的拓?fù)浞治?/strong>

圖1　有源箝位同步整流正激式電路圖

圖2　有源箝位同步整流正激變換器的主要參量波形

有源箝位同步整流正激變換器的電路拓?fù)淙鐖D1所示，DC-DC有源箝位ZVS-PWM正激變換器在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的主要參量波形如圖2。一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)大致可分為四個(gè)運(yùn)行模式，即：

模式1(t0

在主開(kāi)關(guān)S1開(kāi)通前，箝位電容上的電壓為Vc1=DVin/(1-D)(極性為下正上負(fù))。這一階段，箝位開(kāi)關(guān)S2關(guān)斷，箝位電容電流ic1=0。 S1導(dǎo)通后，S1開(kāi)關(guān)管的漏極電位VD=0，變壓器磁芯正向激磁，激磁電流im由第三象限的-Im向第一象限+Im過(guò)渡，iL1=im+Io/N,N為變壓器原副邊繞組匝數(shù)比N1/N2。變壓器原邊繞組電壓VP=VS，能量由輸入電源Vin經(jīng)過(guò)變壓器傳送到負(fù)載。

模式2(t1

S1斷開(kāi)，S2仍關(guān)斷。磁場(chǎng)能量對(duì)S1輸出電容Cs充電。ip由Io/N降到零，iL1=im+ip,im≈Im;ic10。VD由0上升到 Vin+Vc1， Cs電壓達(dá)到Vin+Vc1，S1上的電壓被箝位在這一水平；變壓器原邊繞組電壓VP從Vin變化到Vin–VD=-Vc1。Vc1=DVin/(1- D)保持不變。模式3(t2

主開(kāi)關(guān)S1關(guān)斷，S2開(kāi)通前，由于VD為正，箝位開(kāi)關(guān)S2隨之可以ZVS開(kāi)通，箝位電路運(yùn)行。箝位電容電壓Vc1=DVin/(1-D)，由于變壓器磁場(chǎng)能量對(duì)箝位電容儲(chǔ)能的交換過(guò)程，使該電壓有變化，Vc1=Vc1+ΔV，ΔV表示充放電過(guò)程中箝位電容電壓紋波，主開(kāi)關(guān)電壓箝定在Vc1+Vin水平。箝位電容電流-ic1=im=iL1;ip=0,im由第一象限的+Im向第三象限-Im過(guò)渡，也即磁通復(fù)位過(guò)程。

模式4(t3

S1，S2關(guān)斷，磁場(chǎng)能量使S1結(jié)電容放電， VD由Vin+Vc1下降到零，創(chuàng)造了S1的ZVS條件。箝位電路斷開(kāi)，ic1→0。iL1=im=-Im，ip=0。變壓器原邊繞組電壓Vp則從-Vc1變化到Vin。Vc1=DVin/(1-D)保持不變。

S1導(dǎo)通時(shí)間為DTs，變壓器原邊繞組承受電壓為Vin；S1關(guān)斷時(shí)間為(1-D)Ts，變壓器原邊繞組承受電壓為-Vc1。由伏秒平衡關(guān)系可得：DTsVin=(1-D)Vc1，即Vc1=DVin/(1-D)。

有源箝位正激變換器變壓器磁芯工作在雙向?qū)ΨQ磁化狀態(tài)，提高了磁芯的利用率，箝位電容的穩(wěn)態(tài)電壓隨開(kāi)關(guān)占空比而自動(dòng)調(diào)節(jié)，因而占空比可大于0.5;Vo一定時(shí)，主開(kāi)關(guān)管?輔助開(kāi)關(guān)應(yīng)力隨Vin的變化不大；所以，在占空比和開(kāi)關(guān)應(yīng)力允許的范圍內(nèi)，能夠適應(yīng)輸入電壓較大變化范圍的情況。不足之處是增加了一個(gè)管子，使得電路變得復(fù)雜。

電路參數(shù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算公式

主電路拓?fù)淙鐖D1 所示，它的箝位電容電壓為：Vc1=DVin/(1-D)，箝位電容的耐壓要大于此值，容量只要足夠大即可保證電路的正常工作，在制作中，選用的箝位電容容量為47μF?？刂菩酒x用UC3823N實(shí)現(xiàn)PWM控制，控制芯片檢測(cè)開(kāi)關(guān)電流加上斜波信號(hào)(由PWM輸出信號(hào)14腳生產(chǎn))送至芯片的電流端(7 腳)；電壓信號(hào)經(jīng)取樣電阻分壓和誤差放大器補(bǔ)償產(chǎn)生一輸出信號(hào)(3腳)，此信號(hào)與7腳信號(hào)比較后產(chǎn)生輸出占空比信號(hào)PWM，再由脈沖變壓器隔離和原邊驅(qū)動(dòng)器UC1707產(chǎn)生兩列互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)且死區(qū)可調(diào)的脈沖驅(qū)動(dòng)變換器的主管S1和箝位管S2。合適的參數(shù)設(shè)計(jì)，尤其是電壓補(bǔ)償器及斜波補(bǔ)償?shù)倪x擇將使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作。

經(jīng)理論分析及實(shí)踐，在設(shè)計(jì)有源箝位同步整流正激變換器時(shí)，需要計(jì)