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。