一款2KW高頻開關電源電路的設計方案

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高頻開關電源電路的設計方案，通過方案中的電源電路的設計方法，達到了以減少它們的體積來實現小型化、輕量化。

0 引言

我們可以通過減少變壓器的繞組匝數和金減小鐵心尺寸來提高工作頻率，但在提高開關頻率的同時，開關損耗會隨之增加，電路效率會嚴重下降。針對這些問題出現了軟開關技術，它利用以諧振為主的輔助換流手段，解決了電路中的開關損耗和開關噪聲問題，使開關電源能高頻高效地運行，從20世紀70年代以來國內外就開始不斷研究高頻軟開關技術，目前已比較成熟，下面以方案中2KW的電源為例進行設計。

1 設計內容和方法

1.1 主電路型式的選擇

變換電路的型式主要根據負載要求和給定電源電壓等技術條件進行選擇。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斷，開關過程中電壓、電流均不為零，出現重疊，導致了開關損耗。開關損耗隨開關頻率增加而急劇上升，使電路效率下降，阻礙了開關頻率的提高。在移相控制技術的基礎上，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管依次在零電壓下導通，實現恒頻軟開關。由于減少了開關過程損耗，變換效率可達80%-90%,并且不會發(fā)生開關應力過大。所以選用移相控制全橋型零電壓開關脈寬調制(PSC FB ZVS-PWM)變換電路。

移相控制全橋變換電路是目前應用最為廣泛的軟開關電路之一，它的特點是電路簡單，與傳統(tǒng)的硬開關電路相比，并沒有增加輔助開關等元件。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 為開關管， D1~D4 為體內二極管，C1 ~C4 為開關的輸出電容。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型電子開關開通和關斷開關上同時存在電壓、電流，損耗比較大，零電壓開關-脈寬調制變換器(ZVS-PWM)是電子開關在兩端電壓為零時導通電流為零時關斷，開通、關斷損耗理想值為零。在此選用典型的UC3875構成的移相控制全橋零電壓開關-脈寬調制變換電路。

2 UC3875芯片控制電路的設計

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可對全橋開關的相位進行相位移動，實現定頻脈寬調制控制。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 內部結構方框圖和管腳功能

圖2 UC3875內部結構方框圖

內部結構方框圖如下圖所示： 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，其基準設置為內部固定2.5V(由 分壓)，當電壓超過2.5V時輸出即被關斷，軟起動6腳復位，即可實現過流保護。7腳和15腳作為輸出延遲控制端，通過設置該腳對地之間的電流來設置死區(qū)，加在同一橋臂兩管驅動脈沖之間，以實現零電壓開通時的瞬態(tài)時間。8、9、13、14腳作為輸出端，可驅動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，為芯片內部數字、模擬電路部分提供電源，內部有欠壓鎖定電路，其開啟閾值為10.75V,關閉閾值為9.25V.開啟和關閉之間有 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腳作為頻率設置端，需外接電阻和電容來設置振蕩頻率。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， 這四個驅動信號經擴流后由驅動變壓器去驅動 ~ MOS管。相位控制的特點體現在UC3875的四個輸出端具有相同的驅動脈沖分別驅動A/B、C/D兩個半橋，通過移相錯位控制有源時間，使全橋的四個開關輪流導通。每個輸出級導通前都有一個死區(qū)，而且可以調整死區(qū)時間。在該死區(qū)時間內確保下一個功率開關器件的輸出電容放電完畢，為即將導通的開關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。UC3875在電壓模式和電流模式下均可工作，并具有過電流關斷以實現故障的快速保護。

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)在同一開關周期Ts 內，每一個開關的導通的時間略小于Ts /2,而關斷時間都略大于 Ts/2.

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

(3)比較互為對角的兩對開關T1 、T2 和 T3、T4 開關函數波形， 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)軟開關電源的設計方案，由于開關管在ZVS條件下運行，可實現高頻化，而且控制簡單，性能可靠，適用于大功率場合。通過驗證，該方案中所設計的開關電源，不僅能保持恒頻運行，不會同時出現大電壓、大電流，減少了開關所受的應力;而且還實現了高效化，大大減小了電源的體積，具有較高的實用性。