次級(jí)控制的單端正激變換器??

摘要：對(duì)比了初級(jí)控制的單端拓?fù)渑c次級(jí)控制的半橋拓?fù)涞漠愅o出了次級(jí)控制的單端正激變換器拓?fù)?。并介紹了一個(gè)由初級(jí)啟動(dòng)控制器UCC3960實(shí)現(xiàn)的實(shí)際電路及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)味苏ぷ儞Q；初級(jí)控制；次級(jí)控制；啟動(dòng)控制器；脈沖邊緣傳輸

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0??? 引言

??? 近幾年來，隨著電子及信息產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步向小型化、智能化發(fā)展，電源在這些產(chǎn)品中的地位越來越重要。開關(guān)電源以其體積小、重量輕、效率高得到了越來越廣泛的應(yīng)用。隨著電子及信息產(chǎn)品性能指標(biāo)的提高，與之配套的開關(guān)電源也出現(xiàn)了一些引人注目的變化。

??? 新一代CPU，大規(guī)模集成電路中的邏輯電平越來越低，已從3.3V向2.5V，1.8V甚至1.5V，1.2V過渡，這就使傳統(tǒng)的次級(jí)高頻整流采用肖特基二極管方式的開關(guān)電源的效率不能適應(yīng)這一變化。雖然，同步整流技術(shù)解決了這一問題，但其驅(qū)動(dòng)方式，在廣泛應(yīng)用于小功率開關(guān)電源中的，單端反激和單端正激拓?fù)渲袑?shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜。

??? 低壓的CPU或大規(guī)模集成電路中的供電電流都很大，如果用單一電源供電，電源的成本會(huì)大大提高，系統(tǒng)的可靠性也會(huì)大大降低。最佳的方案是采用N＋1冗余供電方式，這就要求單個(gè)開關(guān)電源有均流功能。在通信電源等大功率系統(tǒng)中，均流技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，但在單端變換器組成的小功率系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)均流是有一定難度的。

??? 電子產(chǎn)品的智能化也要求開關(guān)電源智能化，如電源要有與CPU或微控制器的接口，接受信號(hào)以控制開/關(guān)電源，改變輸出電壓的大小等。

??? 廣泛應(yīng)用的小功率單端（含反激和正激式）開關(guān)電源，由于其PWM控制器位于初級(jí)，很難實(shí)現(xiàn)上述功能。人們尋求一種新的電路拓?fù)涫蛊浼扔猩鲜鲂碌墓δ?，又保持傳統(tǒng)單端拓?fù)涞暮?jiǎn)單、廉價(jià)的特點(diǎn)，因而，一種次級(jí)控制的單端開關(guān)電源得到了應(yīng)用。

1??? 拓?fù)浠仡?

??? 目前，廣泛應(yīng)用的開關(guān)電源拓?fù)渲饕袉味朔醇な?、單端正激式、半橋式、全橋式、推挽式等類型。如果以PWM控制器位于主變壓器的初、次級(jí)來分，則有初級(jí)控制的單端反激式、單端正激式；次級(jí)控制的半橋式、全橋式、推挽式。

??? 下面以單端正激式與半橋式拓?fù)錇榇?，討論初?jí)控制與次級(jí)控制的異同點(diǎn)。

??? 初級(jí)控制單端正激式如圖1所示。次級(jí)控制半橋式如圖2所示。對(duì)比圖1和圖2兩個(gè)電路，可知二者有以下不同。

圖1??? 初級(jí)控制單端正激式

圖2??? 次級(jí)控制半橋式

??? 1）啟動(dòng)和供電??? 圖1電路中，輸入電源經(jīng)R啟動(dòng)控制器，在系統(tǒng)正常后，則由輔助繞組為控制器供電。圖2電路需要專用的輔助電源。輔助電源可以是通過工頻變壓器降壓整流后帶三端穩(wěn)壓器，也可以是另一個(gè)小功率的單端式開關(guān)電源。

??? 2）驅(qū)動(dòng)??? 圖1電路由控制器直接驅(qū)動(dòng)開關(guān)管。圖2電路由柵極驅(qū)動(dòng)變壓器驅(qū)動(dòng)。

??? 3）取樣及反饋??? 圖1電路中輸出取樣經(jīng)光耦隔離后送入控制器。圖2電路中輸出取樣直接送入控制器。

??? 圖2電路由于控制器位于次級(jí)，電源輸出性能好，易于與微控制器接口，實(shí)現(xiàn)智能化，但需要一個(gè)獨(dú)立的輔助電源，因而，適合用于功率較大的系統(tǒng)。圖1電路的最大特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、廉價(jià)，因而，適合用于功率較小的場(chǎng)合。

2??? 次級(jí)控制的單端正激式拓?fù)?

??? 為了進(jìn)一步提高小功率開關(guān)電源的性能，人們研究將控制器置于次級(jí)，并保持單端電路簡(jiǎn)單特點(diǎn)的一種新型拓?fù)湫褪?。這個(gè)拓?fù)涞母境霭l(fā)點(diǎn)是不要輔助電源，由于控制器位于次級(jí)，要解決電源的啟動(dòng)問題，還須解決初級(jí)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)及隔離問題。圖3的拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)上述要求。

??? 圖3的電路中，應(yīng)用了TI公司最新開發(fā)的初級(jí)啟動(dòng)及控制器UCC3960，它專用于次級(jí)控制的單端正激或反激式變換器。它具有一個(gè)啟動(dòng)振蕩器，當(dāng)通過啟動(dòng)電阻施加電源后，即可使圖3電路開始工作；在次級(jí)控制器正常工作后，啟動(dòng)振蕩器的工作頻率被次級(jí)控制器同步，其占空比也受次級(jí)反饋信號(hào)的控制，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)初級(jí)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。UCC3960還有相應(yīng)的保護(hù)電路，UCC3960的腳3外接電阻決定啟動(dòng)振蕩器的工作頻率，該頻率要略高于次級(jí)控制器的工作頻率。UCC3960的工作原理詳見參考文獻(xiàn)[1][2]。

??? 圖3的電路次級(jí)應(yīng)用了單端有源嵌位PWM控制器UCC3580-3。UCC3580-3具有互補(bǔ)的輸出控制，非常適用于同步整流的低電壓輸出，UCC3580-3的UUTI端除了驅(qū)動(dòng)次級(jí)整流管MOS外，還將驅(qū)動(dòng)脈沖邊緣變化信息取出，作為占空比變化的信號(hào)，反饋至UCC3960，經(jīng)處理后驅(qū)動(dòng)初級(jí)開關(guān)管。UCC3580的工作原理詳見參考文獻(xiàn)[3]。當(dāng)然其它PWM控制器，如UC3842系列，SG3525，UC3824（也適用于同步整流）等控制芯片也可用于圖3的電路。

圖3??? 次級(jí)控制的單端正激變換器的原理框圖

3??? 實(shí)驗(yàn)電路及試驗(yàn)結(jié)果

??? 圖4是由UCC3960及UCC3580－3組成的，次級(jí)控制的50W單端正激變換器的實(shí)際電路。圖4中主變壓器除了初級(jí)繞組和次級(jí)繞組外，還有另外兩個(gè)輔助繞組，分別為UCC3960及UCC3580供電。電路的初級(jí)及次級(jí)的啟動(dòng)過程如圖5所示。它可以分為4個(gè)階段：

圖4??? 50W單端正激變換器

(a)??? 占空比與時(shí)間的關(guān)系

(b)??? 次級(jí)偏壓與時(shí)間的關(guān)系

圖5??? 啟動(dòng)時(shí)序

??? 階段1??? 當(dāng)電源接通后，電源電壓經(jīng)啟動(dòng)電阻R₁對(duì)電容C₁充電，此時(shí)，UCC3960及UCC3580-3均不工作；

??? 階段2??? 電容C₁的電壓達(dá)到UCC3960的啟動(dòng)電壓時(shí)，UCC3960進(jìn)入軟啟動(dòng)狀態(tài)，偏置繞組對(duì)C₂及C₃充電，此時(shí)，UCC3580-3不工作；

??? 階段3??? 電容C₃上的電壓達(dá)到UCC3580-3的啟動(dòng)電壓時(shí)，UCC3580-3進(jìn)入軟啟動(dòng)狀態(tài)；

??? 階段4??? UCC3580-3軟啟動(dòng)結(jié)束，UCC3960及UCC3580-3同時(shí)進(jìn)入工作狀態(tài)，系統(tǒng)進(jìn)入閉環(huán)。

??? 在這4個(gè)階段中，如果初級(jí)偏壓建立不起來或發(fā)生初級(jí)過流，則UCC3960進(jìn)入重復(fù)啟動(dòng)的斷續(xù)工作狀態(tài)。

??? 圖4中的隔離及驅(qū)動(dòng)變壓器，它將UCC3580-3的腳4的脈沖上升及下降沿的信息傳送到UCC3960的腳2，上升沿導(dǎo)通初級(jí)的開關(guān)管，下降沿關(guān)斷初級(jí)的開關(guān)管。由于只取變化的信號(hào)，所以驅(qū)動(dòng)變壓器磁芯的截面積及線圈電感均很小，本例中的驅(qū)動(dòng)變壓器參數(shù)為：初次級(jí)匝數(shù)比4∶4，電感量5.4μH；電容對(duì)次級(jí)驅(qū)動(dòng)方波微分，以取出邊沿信號(hào)；為了防止噪聲干擾，初次級(jí)加了較大的阻尼，線圈的Q值為0.25。

??? 本電路的輸出紋波為30mV_P-P。其效率在輸出15A時(shí)為79％。

4??? 結(jié)語

??? 基于UCC3960及UCC3580－3的次級(jí)控制的單端正激變換器，提出了一種新的電路拓?fù)?。這種拓?fù)淇墒归_關(guān)電源同供電的系統(tǒng)及微控制器通信，以適應(yīng)電子產(chǎn)品智能化的要求。