【導(dǎo)讀】分析了存在于開關(guān)電源中的影響電源效率的因素，提出了當(dāng)今高效率功率變。的實(shí)現(xiàn)方法----準(zhǔn)諧振開關(guān)電源。論文針對(duì)主電路中各主要元件參數(shù)進(jìn)行了具體計(jì)算。確定各分電路和所選元。在控制電路設(shè)計(jì)中，經(jīng)過綜合比對(duì)選用開關(guān)電源專用芯片UC3867作為主要

　　

【正文】 電路時(shí)電感阻礙電流的變化 , 產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓 , 通過電火花 , 電弧把磁場(chǎng)能量釋放掉。這部分能量是白白消耗掉的 , 稱之為開關(guān)損耗 , 而且會(huì)使閘刀發(fā)熱 , 燒蝕 , 因此頻繁開關(guān)會(huì)導(dǎo)致閘刀損壞。如果我們能在交流電壓過零時(shí)合閘 , 在接通電路瞬間電流為零 , 就不會(huì)有火花產(chǎn)生 。 同理在電流過零時(shí)拉閘 , 斷開電路瞬間寄電感儲(chǔ)能為零 , 也不會(huì)產(chǎn)生拉閘電弧。這樣 , 開關(guān)損耗為零 , 閘刀也就不會(huì)發(fā)熱燒蝕 , 工作很安全 , 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 這就是軟開關(guān)的最 原始概念。 當(dāng)然開關(guān)電源不是閘刀 , 它是通過改變通斷時(shí)間來調(diào)控輸出電壓的。其中通斷一次的能量損耗乘以開關(guān)工作頻率即為開關(guān)損耗 , 為了減小體積和重量 , 頻率越高越好。但是頻率升高開關(guān)損耗隨之變大 , 電磁干擾變大。 軟開關(guān)技術(shù)在這種要求下應(yīng)運(yùn)而生 , 使開關(guān)電源能夠在高頻下高效率地運(yùn)行。軟開關(guān)技術(shù)是應(yīng)用諧振原理 , 使開關(guān)變換器的開關(guān)器件中電流或電壓按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化 , 當(dāng)開關(guān)管電流自然過零時(shí) , 使開關(guān)管關(guān)斷 。 開關(guān)管電壓自然過零時(shí) , 使開管導(dǎo)通 , 從而使開關(guān)管關(guān)斷和導(dǎo)通損耗為零 , 實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源高頻化的設(shè)計(jì) , 提高了電源效率 , 溫升亦低 , 工作可靠。 軟開關(guān)電源的開關(guān)器件在開通或關(guān)斷的過程中 ,或是加于其上的電壓為零 , 即零電壓開關(guān) , 或是通過開關(guān)器件的電流為零 , 即零電流開關(guān)。這種開關(guān)方式顯著地減小了開關(guān)過程中激起的振蕩 , 可以大幅度地提高開關(guān)頻率 , 為開關(guān)電源小型化、高效率 。 創(chuàng)造了條件。諧振變換器、準(zhǔn)諧振變換器、多諧振變換器、零電壓開關(guān)脈沖調(diào)寬變換器、零電流開關(guān)脈沖調(diào)寬變換器、零電壓轉(zhuǎn)換脈沖調(diào)寬變換器、零電流轉(zhuǎn)換脈沖調(diào)寬變換器、移相控制零電壓轉(zhuǎn)換全橋直流 /直流變換器、移相控制零電流轉(zhuǎn)換全橋直流 /直流變換器及 鉗位吸收技術(shù)均可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)電源。 圖 45所示為零電流準(zhǔn)諧振開關(guān)變換器的工作原理。圖中 1rL , 2rL 為諧振電感， rC 是諧振電容。假定各元件都是理想的 1rL 》 2rL ,則濾波環(huán)節(jié)及負(fù)載可看成恒流源 0I 。電路的工作過程可分成四個(gè)階段來分析。 圖 45 半波半橋次級(jí)諧振 零電流準(zhǔn)諧振變換器原理圖 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 四個(gè)階段分別是 電感充電階段、諧振階段、電容階段和續(xù)流階段， 如圖 46所示 。 (a)電感充電階段 (t0， t1) (b)諧振階段 (t1， t2) (c)電容放電階段 (t3,t4) (d)續(xù)流階段 (t3， t4) 圖 46 零電流準(zhǔn)諧振變換器工作時(shí)的等效電路圖 (1)電感充電階段 (t0， t1) 在這一階段內(nèi)續(xù)流二極管導(dǎo)通，諧振電感 L。內(nèi)電流線性增加。此階段內(nèi)的狀態(tài)方程為： ???????0)( 2)(tVtNLUtirncrinL （ 14） (2)諧振階段 (t1， t2) 在 t1時(shí)刻， 2Lri 上升到負(fù)載電流 I0， S1導(dǎo)通， VD截止，電流 2Lri （ t） 一 I0對(duì) rC 充電， 2Lri和 rC 進(jìn)入諧振階段。滿足如下方程： ???????????NtUtVttNZUItiincrinrLrrn2/)](c o s1[)()(s i n2)(1102??? (15) (3)電容放電階段 (t2， t3) 在 t2時(shí)刻 Sr關(guān)斷， rC 通過輸出回路以電流 I0線性放電， 直到電壓降為零。此階段的諧振電壓狀態(tài)方程為： )()()( 202 ttCItVtV rCC rr ??? (16) 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 (4)續(xù)流階段 (t3， t4) 此階段電路通過續(xù)流二級(jí)管續(xù)流 。 上述 階段是開關(guān) Sl和電感 2Lri 工作，當(dāng) S2是導(dǎo)通時(shí)進(jìn)入下一個(gè)工作周期， 周期中 1rL 工作。 圖 47 半波式零電流準(zhǔn)諧振變換器工作波形 由上述工作原理的分析可以得出零電流準(zhǔn) 諧振變換器輸出電壓穩(wěn)態(tài)關(guān)系式為： 0U = inU （ 1dT ／２＋ 2dT ＋ 3dT ） 1sf ／２Ｎ （ 17） 式中 0U ， inU 是 變壓器的輸出、輸入電壓 , 1dT ， 2dT ， 3dT 是 各階段的持續(xù)時(shí)間 , 1sf 是 開關(guān)頻率 ,N是 高頻變壓器變比 。 當(dāng)電路參數(shù)確定后，開關(guān) 管 的導(dǎo)通時(shí)間就確定了，因此，零電流準(zhǔn)諧振變換器是 恒 導(dǎo)通時(shí)間控制 的 ，輸出電 壓 與 開關(guān)頻率成正比 。 從 圖 47可以看出，在諧振階段中，諧掇電感與 電容發(fā)生諧振 ，使流過電感 1rL 和 2rL 。中的電流按 正弦規(guī)律變化 ，這 就為 S1和 S2的零電流開關(guān) 提供丁條件。同時(shí)，開關(guān)電流與開關(guān)電壓沒有 重疊 部分，從而實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)。 控制電路的設(shè)計(jì) 作為開關(guān)電源的核心，控制電路要實(shí)現(xiàn)以下功能：通過對(duì)逆變橋的控制，實(shí)現(xiàn)能量的傳Vgs1 (b) Vgs2 Ilr2 Vcr I0 I0 Ilr1 t0 t1 t2 t3 t4 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 遞和升壓，要求保證兩個(gè) MOSFET的驅(qū)動(dòng)脈沖寬度要相等，使正、反向平均磁通相等，不產(chǎn)生偏磁 。起動(dòng)時(shí)，一定要限制脈寬，即必須要軟起動(dòng)，使脈寬在起動(dòng)最初若干個(gè)周期中慢慢上升；防止直通；電路要閉環(huán)控制，輸 入與輸出要隔離，不能將強(qiáng)電 帶入控制電路；尤其高電壓數(shù)值的獲??；輸出值設(shè)定；電路的過流保護(hù)。 圖 48 控制電路結(jié)構(gòu)框圖 在選擇控制芯片時(shí)，有 UC386 UC3525系列和 494系列芯片可供選擇，其中 UC1525為軍用芯片， UC2525為工業(yè)用芯片， UC3525為民用芯片，這三款適合驅(qū)動(dòng)功率 MOS管，而 494系列適合驅(qū)動(dòng)雙極性晶體管。故本設(shè)計(jì)選用民用 UC3867做為控制芯片。 控制電路結(jié)構(gòu)框圖如圖 48所示?？刂齐娐酚?UC3867為控制芯片組 成，完成輸出值設(shè)定、并將電源的輸出值轉(zhuǎn)換為電路所需的控制信號(hào)形式，輸出各開關(guān)管所需的 PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，完成系統(tǒng)的軟啟動(dòng)控制，過流保護(hù)控制等功能，半橋逆變管為了避免上下管直通，占空比應(yīng)小于 45%（此數(shù)值與功率 MOSFET 的開關(guān)動(dòng)作速度和開關(guān)頻率有關(guān)，如果功率 MOSFET的開關(guān)動(dòng)作速度較慢，開關(guān)頻率高，占空比應(yīng)更小）。 綜合各方面要求和信息，設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)變壓器將控制序列信號(hào)和功率變換器隔離；控制電路采用 UC3867作為 PWM的控制核心芯片，輸出電流的檢測(cè)是采用電流互感器，初級(jí)大電流只是一匝，次級(jí)再整流濾波 ，形成輸出電流的感應(yīng)電壓，送至 UC3867的關(guān)閉腳 10去做過流保護(hù)和 短路關(guān)閉。輸出電壓通過誤差放大器比較后輸出的信號(hào)控制鎖定 PWM輸出，調(diào)節(jié)取樣電壓輸入確定輸出電壓值。 UC3867 是 Unitrode 公司生產(chǎn)的零 電流準(zhǔn)諧振控制芯片。其主要特點(diǎn)是過零終止單穩(wěn)脈沖，具有故障軟起動(dòng)的 電路，可編程的故障后重新啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間，設(shè)定 VCO的最低／最高諧功率變換主電路 功率輸出 UC3867 電流 檢測(cè) 電壓反饋 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 振頻率，頻率范圍可達(dá) 10kHz1MHz，具有 1A 的驅(qū)動(dòng)電流，欠壓封鎖等功能。它的最高、最低 頻率 由 Range， Rmin和 Cvco決定，輸出脈沖的最寬和最窄脈寬由 RC管腳的電 阻電容決定。 輸出電壓經(jīng)分壓電阻反饋到 UC3867放大器反相輸入端，與基準(zhǔn)電壓比較后控制芯片內(nèi)部的壓控振蕩器（ VCO）的輸出頻率。當(dāng)輸出電壓變大時(shí)。 VCO輸出脈沖的頻率升高，反之則降低。由式 (4)知道，輸出電壓與頻率成正比，開關(guān)頻率的變化達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。零電流準(zhǔn)諧振開關(guān)電源的另一個(gè)重要環(huán)節(jié)是零電流檢測(cè)環(huán)節(jié)，電路中用電流互感器實(shí)現(xiàn)。主電路中電流信號(hào)經(jīng)互感器 T2加到 UC3867的 Zero端，控制內(nèi)部單穩(wěn)態(tài)輸出實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。 UC3867輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖經(jīng)變壓器 T3 隔離后加到主開關(guān)上。當(dāng)故障信號(hào)出現(xiàn) 時(shí)． UC3867 封鎖兩路脈沖起到保護(hù)主電路的作用。 控制芯片 UC3867的特點(diǎn) 目前使用零電流開關(guān)工作方式的電源很多，其中 MC340066就是一個(gè)很不錯(cuò)的零電流控制芯片，但是最近傳來 MC340066停產(chǎn)的消息 ,為了尋求一個(gè)替代品 ,筆者選用了另外一種芯片UC3867,通過實(shí)踐應(yīng)用對(duì)芯片有了一定的認(rèn)識(shí)。 圖 49 控制器框圖 UC3867的主要特點(diǎn)是： (1)編程 VCO振蕩器頻率在 10Khz1Mhz之間。 Pwr Gnd SoftRef 15 16 2 3 4 6 7 8 10 故障 邏輯 控制 電壓 控制 單穩(wěn)態(tài) 邏輯 編程 輸出 驅(qū)動(dòng) 基準(zhǔn) 5V UVLO 5V Sig Gnd Vcc B Out A Out 9 1 5 13 14 12 11 Fault NI INV E/A Out Range Rmin Cvco Zero RC 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 (2)輸出為一對(duì)可驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET的反相蹋騰柱結(jié)構(gòu)，輸出峰值電流達(dá) 1A。 (3)具有 ZERO端，使驅(qū)動(dòng)脈寬受 ZERO端輸入信號(hào)脈寬的調(diào)制，目的是實(shí)現(xiàn)開關(guān)的零電流導(dǎo)通。 (4)故障產(chǎn)生后．具有可編程延時(shí)再次啟動(dòng)功能。 (5)芯片工作后可產(chǎn)生 5v 的電壓基準(zhǔn)，供內(nèi)外電路使用。 (6)根據(jù)欠壓鏇定門限的不同，芯片分為 2種。門限為 16V／ 10v，選 UC3865：門限為 8V／ 7V則選 UC3867。 圖 49為控制器的內(nèi)部框圖，大致可分成 4個(gè)部分：誤差放大及電壓控制振蕩器、 ONE SHOT部分電路、欠壓鎖定與軟啟動(dòng)部分電路和邏輯驅(qū)動(dòng)電路，下文將逐 一解析各部分電路的組成及功能。 誤差放大及電壓控制振蕩器 圖 410 誤差放大電壓控 振蕩器及 單穩(wěn)態(tài) 部分電路 從圖 410可見， NI端、 INV端和 E／ A OUT端同內(nèi)部比較器構(gòu)成 1個(gè)誤差放大器電路：電阻 Range、 Rmin和電容 Cvco構(gòu)成 1 個(gè) Rc 振蕩器，而誤差放大器 E／ A的輸出端直接控制單穩(wěn)態(tài)觸發(fā) E/A Out NI INV Range Rmin Cvco Zero RC 5V + Imin Irange 5V 15K Vth2 15K Vth1 12K 3V/2V S R clock 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 Rc振蕩器。 當(dāng)三極管截止時(shí)，電流 Imin通過電阻 Rmin向振蕩器供電，產(chǎn)生最低振蕩頻率 Fmin vcoCRF ?? m inm in （ 18） 當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)，電流 Irange通過電阻 Range，電流 Imin通過電阻 Rmin，同時(shí)向振蕩器供電，產(chǎn)生最離振蕩頻率 Fmax v coange CCRF ?? )//(m inm a x （ 19） 振蕩電路 如圖 411所示。 首先，振蕩器的時(shí)基電容 C9放電電路與充電電源分開， 設(shè)引腳 7， 引腳 7。C9放電通過外接電阻 R19至 7 腳，改變 R19值就可改變C9的放電時(shí)間，也改變了死區(qū)時(shí)間。而 C9的充電電流則是由 R18規(guī)定的電流源決定的 。 3腳專為外同步用，對(duì)于多個(gè) UC3867的聯(lián)用極為方便。同步脈沖的頻率要求應(yīng)比振蕩器的固有頻率低些 。 圖 411 振蕩電路 單穩(wěn)態(tài) 部分電路 從圖 410看 RC端、 ZERO端電路部分，有 3個(gè)比較器電路 1個(gè)比較器的門限為 ，另外 2個(gè)比較器的門限分別為 ： )( 121 VV th ????? (20) )( 15121 VV th ???? ?? (21) 外圍電阻、電容 Rc和內(nèi)部三極管構(gòu)成 1個(gè) Rc振蕩器，該振蕩器受 CLOCK信號(hào)控制．形成 1個(gè)振蕩器。當(dāng) Clock為 l時(shí)，三極管導(dǎo)通，電容放電，輸出 One Shot為低電平。當(dāng) Clock為 0時(shí)，三極管截止，電容充電。當(dāng) Zero端輸入信號(hào)低于 0． 5V時(shí) (或接地 )， RC端充電超過 Ⅵ n。的 1． 4V電平， sR觸發(fā)器被觸發(fā)置 0，輸出 One Shot的脈寬由定時(shí)最小脈寬 )(MINPWT 決定： CRT M INPW ??? )( (22) 當(dāng) Zero端輸入信號(hào)高于 0． 5V時(shí)，需分 3種情況： 1)當(dāng) Zero端輸入信號(hào)脈寬 定時(shí)最小脈寬 )(MINPWT 時(shí)，只有當(dāng) RC端充電超過 Vth1的 1． 4v