移相式零電壓軟開(kāi)關(guān)變換器與UC3875的應(yīng)用

摘要：介紹開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展過(guò)程及其主要發(fā)展方向，著重介紹移相式軟開(kāi)關(guān)變換器的工作原理和工作過(guò)程，以及UC3875的應(yīng)用。

關(guān) 鍵 詞 ： 軟 開(kāi) 關(guān) 諧 振 變 換 器 移 相 式 零 電 壓 變 換 器

The Application of Phsae? shifting ZVS Soft? switching Converter And UC3875

Abstract: The course and the trend of development of swithing power supply are introduced in this paper.The principle and the process of phase? shifting soft switching converter and application of UC3875 are analyzed emphatically.

Keywords: Soft? switching, Resonant converter, Phase? shifting zero voltage converter

中圖法分類號(hào)：TN86文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0219?2713(2000)11?569?03

1引言

從傳統(tǒng)的線性電源到目前的開(kāi)關(guān)電源，尤其從70年代以來(lái)大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，使開(kāi)關(guān)電源有了質(zhì)的飛躍，從而在電源產(chǎn)品中掀起了一股高頻化、小型化、模塊化的浪潮。目前，開(kāi)關(guān)電源的體積主要還是由電容、電感和變壓器等儲(chǔ)能元件決定，因而開(kāi)關(guān)電源的小型化，實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)減小儲(chǔ)能元件體積的過(guò)程。在一定頻率范圍之內(nèi)，開(kāi)關(guān)頻率的提高，不僅能有效地減小電容、電感和變壓器的體積，還能抑制干擾，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，因而，高頻化是開(kāi)關(guān)電源的主要發(fā)展方向。

開(kāi)關(guān)電源出現(xiàn)之后，最流行的是硬開(kāi)關(guān)變換器，但由于開(kāi)關(guān)管在導(dǎo)通和關(guān)斷過(guò)程中損耗，隨開(kāi)關(guān)頻率的提高而增大，因此硬開(kāi)關(guān)變換器限制了開(kāi)關(guān)電源頻率的提高，同時(shí)電路中的寄生電感和寄生電容在高頻時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的電壓尖峰和浪涌電流，如圖1所示。

為了實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)變換器的高頻化需要著重解決的問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)零電壓或零電流開(kāi)關(guān)，以減小開(kāi)關(guān)損耗，盡可能減小開(kāi)關(guān)浪涌，為此先后出現(xiàn)了諧振變換器，但是諧振變換器是通過(guò)頻率調(diào)制的，為了在輸入電壓和負(fù)載變化范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓，必須要求很寬的開(kāi)關(guān)頻率范圍，這就使得濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)十分困難，使磁性元件的利用率減小，因此高頻開(kāi)關(guān)變換器主要發(fā)展途徑是諧振型和PWM技術(shù)的結(jié)合，即軟開(kāi)關(guān)PWM技術(shù)。利用諧振的形式使開(kāi)關(guān)過(guò)程“軟化”，完成開(kāi)關(guān)過(guò)渡之后，變換器按PWM型式運(yùn)行，使環(huán)路能量比諧振變換器小得多，而開(kāi)關(guān)損耗降低了，所以它是一種性能優(yōu)良的軟開(kāi)關(guān)變換器，移相式零電壓軟開(kāi)關(guān)電路就是其中一種。

2移相式零電壓軟開(kāi)關(guān)變換器的工作原理

圖2為移相式零電壓軟開(kāi)關(guān)變換器原理圖，圖中LR由兩部分組成，一是外加諧振電感；二是變壓器的漏感，CR由變壓器的寄生電容和外加電容組成。

移相式零電壓軟開(kāi)關(guān)管變換器中每只開(kāi)關(guān)管具有相同寬度的驅(qū)動(dòng)脈沖，通過(guò)移相錯(cuò)位控制有源時(shí)間，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。當(dāng)一個(gè)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器的初級(jí)電流給關(guān)斷的開(kāi)關(guān)管的并聯(lián)電容充電，同時(shí)使同一橋臂即將開(kāi)通的開(kāi)關(guān)管的并聯(lián)電容放電，當(dāng)關(guān)斷的開(kāi)關(guān)管并聯(lián)電容充到電源電壓時(shí)，即將開(kāi)通的開(kāi)關(guān)管反并聯(lián)二極管自然導(dǎo)通，這時(shí)開(kāi)通開(kāi)關(guān)管，則該管就是零電壓開(kāi)通。而開(kāi)關(guān)管在關(guān)斷時(shí)，由于它有并聯(lián)電容，這樣開(kāi)關(guān)管是零電壓關(guān)斷，因此在這種移相式控制方式下，開(kāi)關(guān)管是在零電壓下開(kāi)關(guān)的，其驅(qū)動(dòng)波形如圖3所示：

圖中陰影部分為傳輸能量的有源時(shí)間，固定SA、SB的相位，移動(dòng)SD、SC的相位，即可達(dá)到調(diào)整有源時(shí)間的目的，這樣SD（SC）開(kāi)通時(shí)，SA（SB）未導(dǎo)通，沒(méi)有電流流過(guò)，SD（SC）沒(méi)有開(kāi)通損耗，僅SA（SB）有；SD（SC）關(guān)斷時(shí)，SA（SB）未關(guān)斷，SA（SB）漏源極無(wú)電壓變化，沒(méi)有開(kāi)通損耗，僅SD（SC）有。

圖1開(kāi)關(guān)時(shí)的電壓尖峰和浪涌電流

（a）導(dǎo)通過(guò)程（b）關(guān)斷過(guò)程

（c）導(dǎo)通過(guò)程對(duì)應(yīng)電流波形（d）關(guān)斷過(guò)程對(duì)應(yīng)電壓波形

圖2移相式零電壓軟開(kāi)關(guān)變換器電路圖

圖3驅(qū)動(dòng)波形圖

圖4管腳示意圖

3移相式零電壓軟開(kāi)關(guān)變換器電路的優(yōu)點(diǎn)

移相式零電壓軟開(kāi)關(guān)變換器電路是在吸收了傳統(tǒng)PWM變換器和諧振變換器的優(yōu)點(diǎn)，克服了它們的不足之后發(fā)展起來(lái)的一種新型控制方式，它有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）功率管實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，減小了開(kāi)關(guān)損耗，因此開(kāi)關(guān)頻率可以大大提高。由于功耗的減小，可以減小散熱器的體積，頻率的提高可以減小變壓器及濾波器的體積，有利于電源的小型化、輕量化。

（2）功率管軟開(kāi)關(guān)改善了導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)電壓波形，使開(kāi)通和關(guān)斷沿的尖峰減小，這樣便減小了電磁干擾和射頻干擾，使得設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)壓力減小。在航空領(lǐng)域內(nèi)電磁兼容性設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的考核指標(biāo)，而電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)又是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，當(dāng)采用移相式零電壓軟開(kāi)關(guān)電路時(shí)，電磁兼容問(wèn)題就比較容易解決。

（3）功率管電壓電流應(yīng)力小，這樣不僅減小了損耗，而且提高了電源的效率，更加有利于提高功率管的使用壽命和可靠性。

4UC3875的應(yīng)用

Unitrode公司的UC3875，它有4個(gè)獨(dú)立的輸出驅(qū)動(dòng)端可以直接驅(qū)動(dòng)四只功率MOSFET管，見(jiàn)圖4，其中OUTA和OUTB相位相反，OUTC和OUTD相位相反，而OUTC和OUTD相對(duì)于OUTA和OUTB的相位θ是可調(diào)的，也正是通過(guò)調(diào)節(jié)θ的大小來(lái)進(jìn)行PWM控制的。

4．1UC3875的管腳功能

UC3875有20腳和28腳兩種，這里僅介紹20腳的UC3875的管腳功能，表1為管腳功能簡(jiǎn)要說(shuō)明。

表1

4．2UC3875各個(gè)管腳的使用說(shuō)明

管腳1可輸出精確的5V基準(zhǔn)電壓，其電流可以達(dá)到60mA。當(dāng)VIN比較低時(shí)，芯片進(jìn)入欠壓鎖定狀態(tài)VREF消失。直到VREF達(dá)到4.75V以上時(shí)才脫離欠壓鎖定狀態(tài)。最好的辦法是接一個(gè)0.1μF旁路電容到信號(hào)地。

管腳2為電壓反饋增益控制端，當(dāng)誤差放大器的輸出電壓低于1V時(shí)實(shí)現(xiàn)0°相移。

管腳3為誤差放大器的反相輸入端，該腳通常利用分壓電阻檢測(cè)輸出電源電壓。

管腳4為誤差放大器的同相輸入端，該腳與基準(zhǔn)電壓相連，以檢測(cè)E/A（－）端的輸出電源電壓。

管腳5為電流檢測(cè)端，該腳為電流故障比較器的同相輸入端，其基準(zhǔn)設(shè)置為內(nèi)部固定2.5V（由VREF分壓）。當(dāng)該腳的電壓超過(guò)2.5V時(shí)電流故障動(dòng)作，輸出被關(guān)斷，軟起動(dòng)復(fù)位，此腳可實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。

管腳6為軟起動(dòng)端，當(dāng)輸入電壓（VIN）低于欠壓鎖定閾值（10.75V）時(shí)，該腳保持地電平，當(dāng)VIN正常時(shí)該腳通過(guò)內(nèi)部9μA電流源上升到4.8V，如果出現(xiàn)電流故障時(shí)該腳電壓從4.8V下降到0V，此腳可實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)。

管腳7、15為輸出延遲控制端，通過(guò)設(shè)置該腳到地之間的電流來(lái)設(shè)置死區(qū)，加于同一橋臂兩管驅(qū)動(dòng)脈沖之間，以實(shí)現(xiàn)兩管零電壓開(kāi)通時(shí)的瞬態(tài)時(shí)間，兩個(gè)半橋死區(qū)可單獨(dú)提供以滿足不同的瞬態(tài)時(shí)間。

管腳14、13、9、8為輸出OUTA～OUTD端，該腳為2A的圖騰柱輸出，可驅(qū)動(dòng)MOSFET和變壓器。

管腳10為電源電壓端，該腳提供輸出級(jí)所需電源，Vcc通常接3V以上電源，最佳為12V。此腳應(yīng)接一旁路電容到電源地。

管腳11為芯片供電電源端，該腳提供芯片內(nèi)部數(shù)字、模擬電路部分的電源，接于12V穩(wěn)壓電源。為保證芯片正常工作，在該腳電壓低于欠壓鎖定閾值（10.75V）時(shí)停止工作。此腳應(yīng)接一旁路電容到信號(hào)地。

當(dāng)電源電壓超過(guò)欠壓鎖定閾值時(shí)，電源電流（IIN）從100μA猛增到20mA。如果接一旁路電容，它就很快脫離欠壓鎖定狀態(tài)。

管腳12為電源地端。其它相關(guān)的阻容網(wǎng)絡(luò)與之并聯(lián)，電源地和信號(hào)地應(yīng)一點(diǎn)接地以降低噪聲和直流降落。

管腳16為頻率設(shè)置端，該腳與地之間通過(guò)一個(gè)電阻和電容來(lái)設(shè)置振蕩頻率，具體計(jì)算公式為：

f=4/（RfCf）

管腳17為時(shí)鐘/同步端，作為輸出，提供時(shí)鐘信號(hào)；作為輸入，該腳提供一個(gè)同步點(diǎn)。最簡(jiǎn)單的用法是：具有不同振蕩頻率的多個(gè)UC3875可通過(guò)連接其同步端，使它們同步工作于最高頻率。該腳也可使其同步工作于外部時(shí)鐘頻率，但外部時(shí)鐘頻率需大于芯片的時(shí)鐘頻率。

管腳18為陡度端，該腳接一個(gè)電阻Rs將產(chǎn)生電流以形成斜波，連接這個(gè)電阻到輸入電壓將提供電壓反饋。

管腳19為斜波端，該腳是PWM比較器的一個(gè)輸入端，可通過(guò)一個(gè)電容CR連接到地，電壓以下式陡度建立：

dv/dt=Vs/(RsCR)

該腳可通過(guò)很少的器件實(shí)現(xiàn)電流方式控制，同時(shí)提供陡度補(bǔ)償。

管腳20為信號(hào)地端，GND是所有電壓的參考基準(zhǔn)。頻率設(shè)置端（FREQSET）的振蕩電容(Cf)，基準(zhǔn)電壓（VREF）端的旁路電容和VIN的旁路電容以及RAMP端斜波電容(CR)都應(yīng)就近可靠地接于信號(hào)地。

5結(jié)語(yǔ)

移相式零電壓軟開(kāi)關(guān)變換器和控制芯片UC3875的合理使用，使得所設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源具有高頻、高效、體積小和輕量化的特點(diǎn)，因此這種軟開(kāi)關(guān)電路在機(jī)載計(jì)算機(jī)電源中有著廣泛應(yīng)用前景。

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