0279机床

变换器电压电容移相式零电压软开关变换器与UC3875的应用

1引言

从传统的线性电源到目前的开关电源,尤其从70年代以来大规模集成电路技术的发展,使开关电源有了质的飞跃,从而在电源产品中掀起了一股高频化、小型化、模块化的浪潮。目前,开关电源的体积主要还是由电容、电感和变压器等储能元件决定,因而开关电源的小型化,实质上就是一个减小储能元件体积的过程。在一定频率范围之内,开关频率的提高,不仅能有效地减小电容、电感和变压器的体积,还能抑制干扰,改善系统的动态性能,因而,高频化是开关电源的主要发展方向。

开关电源出现之后,最流行的是硬开关变换器,但由于开关管在导通和关断过程中损耗,随开关频率的提高而增大,因此硬开关变换器限制了开关电源频率的提高,同时电路中的寄生电感和寄生电容在高频时产生严重的电压尖峰和浪涌电流,如图1所示。

为了实现开关变换器的高频化需要着重解决的问题是实现零电压或零电流开关,以减小开关损耗,尽可能减小开关浪涌,为此先后出现了谐振变换器,但是谐振变换器是通过频率调制的,为了在输入电压和负载变化范围内调节输出电压,必须要求很宽的开关频率范围,这就使得滤波器的优化设计十分困难,使磁性元件的利用率减小,因此高频开关变换器主要发展途径是谐振型和PWM技术的结合,即软开关PWM技术。利用谐振的形式使开关过程“软化”,完成开关过渡之后,变换器按PWM型式运行,使环路能量比谐振变换器小得多,而开关损耗降低了,所以它是一种性能优良的软开关变换器,移相式零电压软开关电路就是其中一种。

2移相式零电压软开关变换器的工作原理

图2为移相式零电压软开关变换器原理图,图中LR由两部分组成,一是外加谐振电感;二是变压器的漏感,CR由变压器的寄生电容和外加电容组成。

移相式零电压软开关管变换器中每只开关管具有相同宽度的驱动脉冲,通过移相错位控制有源时间,从而达到稳定输出电压的目的。当一个开关管关断时,变压器的初级电流给关断的开关管的并联电容充电,同时使同一桥臂即将开通的开关管的并联电容放电,当关断的开关管并联电容充到电源电压时,即将开通的开关管反并联二极管自然导通,这时开通开关管,则该管就是零电压开通。而开关管在关断时,由于它有并联电容,这样开关管是零电压关断,因此在这种移相式控制方式下,开关管是在零电压下开关的,其驱动波形如图3所示:

图中阴影部分为传输能量的有源时间,固定SA、SB的相位,移动SD、SC的相位,即可达到调整有源时间的目的,这样SD(SC)开通时,SA(SB)未导通,没有电流流过,SD(SC)没有开通损耗,仅SA(SB)有;SD(SC)关断时,SA(SB)未关断,SA(SB)漏源极无电压变化,没有开通损耗,仅SD(SC)有。

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图1开关时的电压尖峰和浪涌电流

(a)导通过程(b)关断过程

(c)导通过程对应电流波形(d)关断过程对应电压波形

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图2移相式零电压软开关变换器电路图

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图3驱动波形图

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图4管脚示意图

3移相式零电压软开关变换器电路的优点

移相式零电压软开关变换器电路是在吸收了传统PWM变换器和谐振变换器的优点,克服了它们的不足之后发展起来的一种新型控制方式,它有以下几个优点:

(1)功率管实现软开关,减小了开关损耗,因此开关频率可以大大提高。由于功耗的减小,可以减小散热器的体积,频率的提高可以减小变压器及滤波器的体积,有利于电源的小型化、轻量化。

(2)功率管软开关改善了导通和关断时电压波形,使开通和关断沿的尖峰减小,这样便减小了电磁干扰和射频干扰,使得设备的电磁兼容设计压力减小。在航空领域内电磁兼容性设计是一个重要的考核指标,而电源的电磁兼容性设计又是一个比较复杂的问题,当采用移相式零电压软开关电路时,电磁兼容问题就比较容易解决。

(3)功率管电压电流应力小,这样不仅减小了损耗,而且提高了电源的效率,更加有利于提高功率管的使用寿命和可靠性。

4UC3875的应用

Unitrode公司的UC3875,它有4个独立的输出驱动端可以直接驱动四只功率MOSFET管,见图4,其中OUTA和OUTB相位相反,OUTC和OUTD相位相反,而OUTC和OUTD相对于OUTA和OUTB的相位θ是可调的,也正是通过调节θ的大小来进行PWM控制的。

4.1UC3875的管脚功能

UC3875有20脚和28脚两种,这里仅介绍20脚的UC3875的管脚功能,表1为管脚功能简要说明。

4.2UC3875各个管脚的使用说明

管脚1可输出精确的5V基准电压,其电流可以达到60mA。当VIN比较低时,芯片进入欠压锁定状态VREF消失。直到VREF达到4.75V以上时才脱离欠压锁定状态。最好的办法是接一个0.1μF旁路电容到信号地。

管脚2为电压反馈增益控制端,当误差放大器的输出电压低于1V时实现0°相移。

管脚3为误差放大器的反相输入端,该脚通常利用分压电阻检测输出电源电压。

管脚4为误差放大器的同相输入端,该脚与基准电压相连,以检测E/A(-)端的输出电源电压。

管脚5为电流检测端,该脚为电流故障比较器的同相输入端,其基准设置为内部固定2.5V(由VREF分压)。当该脚的电压超过2.5V时电流故障动作,输出被关断,软起动复位,此脚可实现过流保护。

管脚6为软起动端,当输入电压(VIN)低于欠压锁定阈值(10.75V)时,该脚保持地电平,当VIN正常时该脚通过内部9μA电流源上升到4.8V,如果出现电流故障时该脚电压从4.8V下降到0V,此脚可实现过压保护。

管脚7、15为输出延迟控制端,通过设置该脚到地之间的电流来设置死区,加于同一桥臂两管驱动脉冲之间,以实现两管零电压开通时的瞬态时间,两个半桥死区可单独提供以满足不同的瞬态时间。

管脚14、13、9、8为输出OUTA~OUTD端,该脚为2A的图腾柱输出,可驱动MOSFET和变压器。

管脚10为电源电压端,该脚提供输出级所需电源,Vcc通常接3V以上电源,最佳为12V。此脚应接一旁路电容到电源地。

管脚11为芯片供电电源端,该脚提供芯片内部数字、模拟电路部分的电源,接于12V稳压电源。为保证芯片正常工作,在该脚电压低于欠压锁定阈值(10.75V)时停止工作。此脚应接一旁路电容到信号地。

当电源电压超过欠压锁定阈值时,电源电流(IIN)从100μA猛增到20mA。如果接一旁路电容,它就很快脱离欠压锁定状态。

管脚12为电源地端。其它相关的阻容网络与之并联,电源地和信号地应一点接地以降低噪声和直流降落。

管脚16为频率设置端,该脚与地之间通过一个电阻和电容来设置振荡频率,具体计算公式为:

f=4/(RfCf)

管脚17为时钟/同步端,作为输出,提供时钟信号;作为输入,该脚提供一个同步点。最简单的用法是:具有不同振荡频率的多个UC3875可通过连接其同步端,使它们同步工作于最高频率。该脚也可使其同步工作于外部时钟频率,但外部时钟频率需大于芯片的时钟频率。

管脚18为陡度端,该脚接一个电阻Rs将产生电流以形成斜波,连接这个电阻到输入电压将提供电压反馈。

管脚19为斜波端,该脚是PWM比较器的一个输入端,可通过一个电容CR连接到地,电压以下式陡度建立:

dv/dt=Vs/(RsCR)

该脚可通过很少的器件实现电流方式控制,同时提供陡度补偿。

管脚20为信号地端,GND是所有电压的参考基准。频率设置端(FREQSET)的振荡电容(Cf),基准电压(VREF)端的旁路电容和VIN的旁路电容以及RAMP端斜波电容(CR)都应就近可靠地接于信号地。

5结语

移相式零电压软开关变换器和控制芯片UC3875的合理使用,使得所设计的开关电源具有高频、高效、体积小和轻量化的特点,因此这种软开关电路在机载计算机电源中有着广泛应用前景。

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