一種高效小型化的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

1 引言

開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。從上世紀(jì)90年代以來(lái)開(kāi)關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)、程控交換機(jī)、通訊、電子檢測(cè)設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開(kāi)關(guān)電源。隨著電源技術(shù)的發(fā)展，低電壓，大電流的開(kāi)關(guān)電源因其技術(shù)含量高，應(yīng)用廣，越來(lái)越受到人們重視。在開(kāi)關(guān)電源中，正激和反激式有著電路拓?fù)浜?jiǎn)單，輸入輸出電氣隔離等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于中小功率電源變換場(chǎng)合。跟反激式相比，正激式變換器變壓器銅損較低，同時(shí)，正激式電路副邊紋波電壓電流衰減比反激式明顯，因此，一般認(rèn)為正激式變換器適用在低壓，大電流，功率較大的場(chǎng)合。

2 系統(tǒng)總體框圖

一種高效小型化的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)總體框圖

輸入的市電經(jīng)凈化濾波后整流成300V左右的直流電壓加到半橋電路的MOS管上?？刂齐娐酚勺畛Ｓ肧G3525芯片組成。控制電路通過(guò)高壓部件反饋繞組檢測(cè)輸出電壓的變化量，產(chǎn)生激勵(lì)脈沖去驅(qū)動(dòng)功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。

3 電源設(shè)計(jì)的基本技術(shù)

3.1有源鉗位技術(shù)

正激DC/DC變換器其固有缺點(diǎn)是功率晶體管截止期間高頻變壓器必須磁復(fù)位。以防變壓器鐵心飽和，因此必須采用專(zhuān)門(mén)的磁復(fù)位電路。通常采用的復(fù)位方式有三種，即傳統(tǒng)的附加繞組法、RCD鉗位法、有源鉗位法。三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)：磁復(fù)位繞組法正激變換器的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟可靠，磁化能量可無(wú)損地回饋到直流電路中去，可是附加的磁復(fù)位繞組使變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，變壓器漏感引起的關(guān)斷電壓尖峰需要RC緩沖電路來(lái)抑制，占空比D<0.5,功率開(kāi)關(guān)管承受的電壓應(yīng)力與輸入電源電壓成正比。RCD鉗位正激變換器的優(yōu)點(diǎn)是磁復(fù)位電路簡(jiǎn)單，占空比D可以大于0.5,功率開(kāi)關(guān)管承受電壓應(yīng)力較低，但大部分磁化能量消耗在鉗位電阻中，因此它一般適用于變換效率不高且價(jià)廉的電源變換場(chǎng)合。有源鉗位技術(shù)是三種技術(shù)中效率最高的技術(shù)，它的電路圖如圖2所示，工作原理如圖3所示。

圖2：有源鉗位同步整流正激式電路圖

圖3：有源鉗位電路工作原理圖

在 DT時(shí)段之前，開(kāi)關(guān)管S1 導(dǎo)通，激磁電流iM為負(fù)，即從Cr通過(guò)S1流向Tr,在DT階段，開(kāi)關(guān)管S的驅(qū)動(dòng)脈沖ugs使其導(dǎo)通，同時(shí)ugs1=0,使S1 關(guān)斷，在Vin的作用下，激磁電流由負(fù)變正，原邊功率通過(guò)變壓器傳到副邊，給輸出端電感L充電;在(1-D)T時(shí)段，ugs=0,S關(guān)斷，ugs1到來(lái)使 S1導(dǎo)通，iM通過(guò)S1的反并二極管向Cr充電，在Cr和Tr漏感構(gòu)成的諧振電路的作用下，iM由正變負(fù)，變壓器反向激磁。從以上分析中可以看出：有源鉗位正激變換器變壓器鐵心工作在雙向?qū)ΨQ(chēng)磁化狀態(tài)，提高了鐵心利用率，鉗位電容的穩(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50%;Vo一定時(shí)，主開(kāi)關(guān)、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)較大輸入電壓變化范圍的情況。不足之處是增加了一個(gè)管子，使得電路變得復(fù)雜。

3.2同步整流技術(shù)

在低電壓大電流功率變換器中，若采用傳統(tǒng)的普通二極管或肖特基二極管整流由于其正向?qū)▔航荡?低壓硅二極管正向壓降約0.7V,肖持基二極管正向壓降約 0.45V,新型低電壓肖特基二極管可達(dá)0.32V)，整流損耗成為變換器的主要損耗，無(wú)法滿(mǎn)足低電壓大電流開(kāi)關(guān)電源高效率，小體積的需要。

MOSFET導(dǎo)通時(shí)的伏安特性為一線(xiàn)性電阻，稱(chēng)為通態(tài)電阻RDS,低壓MOSFET新器件的通態(tài)電阻很小，如：IRL3102(20V,61A)、 IRL2203S(30V,116A)、IRL3803S(30V,100A)通態(tài)電阻分別為0.013Ω、0.007Ω和0.006Ω，它們?cè)谕ㄟ^(guò) 20A電流時(shí)，通態(tài)壓降不到0.3V.另外，功率MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)間短，輸入阻抗高，這些特點(diǎn)使得MOSFET成為低電壓大電流功率變換器首選的整流器件。功率MOSFET是一種電壓型控制器件，它作為整流元件時(shí)，要求控制電壓與待整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能，故稱(chēng)為同步整流電路。圖1為典型的降壓型“同步”開(kāi)關(guān)變換器電路(當(dāng)電路中無(wú)SR時(shí)，為“普通”的降壓型開(kāi)關(guān)變換器電路)。

4 電源設(shè)計(jì)的電路

所設(shè)計(jì)的電源參數(shù)如下：輸入電壓為50(1±10%)V,輸出電壓為3.3V,電流為20A,工作頻率為100kHz.采用的主電路拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4：主電路拓?fù)鋱D

由于有源鉗位采用的是FLYBACK型鉗位電路，它的鉗位電容電壓為：

Vc=Vin

所選用的控制IC芯片為UC3844,它的最大占空比為50%,所以電容上的電壓最大為Vin,電容耐壓為60V以上，只要選取足夠大即可保證電路能正常工作，本電路所選取的鉗位電容為47μF/100V.

有源鉗位管S1的驅(qū)動(dòng)必須跟變壓器原邊的地隔離開(kāi)，而且S1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須跟開(kāi)關(guān)管S驅(qū)動(dòng)信號(hào)反相，使用UCC3580可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)管子的驅(qū)動(dòng)，可是這個(gè)芯片并不常見(jiàn)，因而這里選用UC3844跟IR2110組合。UC3844出來(lái)的控制信號(hào)用來(lái)作為IR2110的低端輸入，其反相信號(hào)作為IR2110的高端輸入，IR2110的高端驅(qū)動(dòng)通過(guò)內(nèi)部自舉電路來(lái)實(shí)現(xiàn)隔離。這樣，我們就達(dá)到了驅(qū)動(dòng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的目的。

在輸出整流電路中，當(dāng)續(xù)流二極管(即SR的反并二極管)受正向電壓導(dǎo)通時(shí)，應(yīng)及時(shí)驅(qū)動(dòng)SR導(dǎo)通，以減小壓降和損耗。但為了避免SR與SR1同時(shí)導(dǎo)通，造成短路事故，必須有“死區(qū)”時(shí)間，這時(shí)仍靠二極管D導(dǎo)通。SR的開(kāi)關(guān)瞬時(shí)要與續(xù)流二極管的通斷瞬時(shí)密切配合，因此對(duì)開(kāi)關(guān)速度要求很高。另外，從成本綜合考慮，選用IRL3102.

變壓器的設(shè)計(jì)跟一般正激式變換器變壓器設(shè)計(jì)差不多，只是要考慮同步整流管的驅(qū)動(dòng)。所選用的同步整流管的驅(qū)動(dòng)開(kāi)通電壓為4V左右，電路輸出電壓為3.3V,輸出端相當(dāng)于一個(gè)降壓型電路，占空比最大為0.5,所以變壓器副邊電壓至少為6.6V.因?yàn)镸OSFET的柵-源間的硅氧化層耐壓有限，一旦被擊穿則永久損壞，所以實(shí)際上柵-源電壓最大值在20~30V之間，如電壓超過(guò)20V,應(yīng)該在柵極上接穩(wěn)壓管。

5 輸入電壓范圍的調(diào)制

工作在高頻高壓條件下的小功率電源，輸入電壓范圍的調(diào)節(jié)會(huì)出現(xiàn)困難。不但調(diào)整率很差，而且在輸入電壓超過(guò)一定值時(shí)，電源無(wú)輸出，或輸出電壓不穩(wěn)定。原因是高壓小功率電源的占空比很小，工作時(shí)的導(dǎo)通脈寬很窄(呈窄脈沖工作狀態(tài))。當(dāng)輸入電壓升高時(shí)，輸出能量不變，脈沖寬度變窄，幅度加長(zhǎng)。輸入電壓升高到一定限度，控制電路呈失控狀態(tài)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的閉環(huán)控制，導(dǎo)致整個(gè)電路關(guān)閉。為解決這個(gè)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)分析試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)輸入電壓調(diào)節(jié)電路，如圖5所示。

圖5：輸入電壓調(diào)節(jié)電路

它實(shí)際上是一個(gè)輸入電壓預(yù)穩(wěn)壓電路，輸入電壓經(jīng)過(guò)它，成為基本穩(wěn)定的電壓，再加到主電路(開(kāi)關(guān)電路)上。

經(jīng)過(guò)調(diào)試，試驗(yàn)和長(zhǎng)期裝機(jī)應(yīng)用，證明了該電路的穩(wěn)定與可靠。下圖表1是設(shè)置輸入電壓調(diào)節(jié)電路與沒(méi)有設(shè)置時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，這里只給出輸出主電路(25kV)參數(shù)。明顯看出，加了該電路后，輸入電壓調(diào)整率大大提高，輸入電壓調(diào)節(jié)范圍也增至250V.

表1：輸入電壓變化對(duì)輸出電壓的影響

由于上電時(shí)，輸入端瞬間沖擊電流很大，對(duì)輸入電壓調(diào)節(jié)電路造成危害。為此，還專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了輸入緩沖電路。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和波形分析

開(kāi)關(guān)管S1和S的Uds波形如圖6所示，RefA為S管壓降波形，50V/div,RefB為S1管壓降波形，50V/div.電路此時(shí)工作在Vin= 60V左右，S1和S的開(kāi)關(guān)應(yīng)力大概為120V,D=0.5左右。

圖6：開(kāi)關(guān)管S和S1的uds波形

圖7為變壓器輸出電壓，也就是同步整流管SR1和SR的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，正的部分為SR的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，負(fù)的部分為SR1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖7：同步整流管的驅(qū)動(dòng)波形

實(shí)驗(yàn)所得波形和分析的波形基本吻合，只是在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間，電壓有小尖峰，這是由電路的雜散參數(shù)引起的。該電路的工作效率經(jīng)過(guò)測(cè)量大約在90%左右，基本達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，具有實(shí)用性的價(jià)值。

7 結(jié)語(yǔ)

本文基于開(kāi)關(guān)電源中正激和反激式有著電路拓?fù)浜?jiǎn)單，輸入輸出電氣隔離等優(yōu)點(diǎn)，提出了一種高效小型化的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方案，通過(guò)方案中的電源開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)表明，有源逆變加同步整流電路用在低壓大電流的正激式電路設(shè)計(jì)中，不加PFC電路時(shí)，能夠取得很高的效率，從而證實(shí)了本方案的可行性。