《電子技術(shù)應(yīng)用》
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正反激勵(lì)式準(zhǔn)諧振軟開關(guān)電源
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2013年第8期
陳庭勛,胡佳文
浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院,浙江 舟山316004
摘要: 以UCC28600D芯片為核心,結(jié)合正、反激勵(lì)共用方式構(gòu)建準(zhǔn)諧振軟開關(guān)電源。以正激勵(lì)為主,正、反激勵(lì)相互配合,拓展功率輸出能力;采用定功率法設(shè)計(jì)開關(guān)電源變壓器,控制反激勵(lì)電壓值略高于輸入線電壓;有效發(fā)揮諧振作用,降低激勵(lì)管開通損耗和開通噪聲,利用濾波電感的續(xù)流作用消除正激勵(lì)整流二極管的關(guān)閉噪聲。所設(shè)計(jì)的開關(guān)電源具有高度潔凈的輸出電壓,電源輸出口的擾訊電壓和開關(guān)周期的脈動電壓均限制在5 mV以下,整體工作效率達(dá)85%,開關(guān)電源中正、反激勵(lì)共用方式具有明顯優(yōu)勢。
中圖分類號: TM14 TN86
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: B
文章編號: 0258-7998(2013)08-0057-03
Quasi resonant soft switching power supply for positive and negative incentive mode
Chen Tingxun,Hu Jiawen
Shipping and Ocean Engineering College,Zhejang Ocean University, Zhoushan 316004,China
Abstract: This paper designed a kind of quasi resonant soft switching sower supply based on chip UCC28600D as the core, and combined with positive and negative incentive mode. Based on positive incentive and cooperate with negative incentive, can expand the power output capacity. Designed switching power transformer by constant-power method. The resonant circuit eliminated the the opening noise of exciter tube and close noise of positive exciter tube. The continued flow effect of the filter inductor eliminated the close noise of positive incentive rectifier diode. All these makes the design of the switching power supply with a hightly spotless output voltage, the disturbance voltage of power output port and pulsating voltage of switching cycle are below 5 mV, and working efficiency can be 85%. These reflect the advantages of positive and negative incentive in switching power supply.
Key words : switching power supply;quasi resonant;unipolar;positive and negative incentive

    早期的開關(guān)電源通過強(qiáng)制開通或關(guān)閉激勵(lì)管的方式工作,其開關(guān)噪聲和開關(guān)損耗大,工作效率難以進(jìn)一步提高。軟開關(guān)技術(shù)則利用LC諧振來調(diào)整開關(guān)時(shí)刻的電流或電壓值,以達(dá)到開關(guān)損耗最小的目的,在開關(guān)噪聲和工作效率方面都優(yōu)于硬開關(guān)電源。因此,諧振式開關(guān)電源將得到快速發(fā)展。實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)工作的芯片有多種型號,且工作原理各不相同。例如準(zhǔn)諧振反向控制器UCC28600芯片,以反激勵(lì)電壓下降至最低值后開通激勵(lì)管、激勵(lì)電流達(dá)到峰值或定時(shí)關(guān)閉激勵(lì)管的方式工作,單極性輸出,其開關(guān)頻率隨輸出功率而變化,一般用于小功率電源;諧振模式控制器UCC25600是基本固定諧振頻率,利用反饋?zhàn)詣诱{(diào)節(jié)開關(guān)頻率,使電路在諧振與失諧之間調(diào)整,改變有效激勵(lì)功率,雙極性輸出,一般用于100 W~1 kW的電源。本文以UCC28600D芯片為基礎(chǔ),研究這類軟開關(guān)電源的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 UCC28600D芯片工作特點(diǎn)
    UCC28600D芯片是多模式準(zhǔn)諧振反向控制器,自身功耗低,只有8個(gè)端口,電路連接簡單。該芯片內(nèi)部設(shè)置有可變振蕩頻率的振蕩器,自身并不直接決定輸出脈沖頻率。其脈沖輸出與脈沖關(guān)閉方式由芯片的外部電路狀態(tài)決定:當(dāng)電壓狀態(tài)檢測保護(hù)端7的電位下降至最低值(電壓谷點(diǎn))時(shí),開通輸出脈沖;當(dāng)7端口流出的電流達(dá)到450 μA(此時(shí)端電位為0 V)或者7端口端電壓超過3.75 V時(shí),均進(jìn)入過壓保護(hù)狀態(tài);根據(jù)檢測到的3端電位值關(guān)閉輸出脈沖或定時(shí)關(guān)閉脈沖,準(zhǔn)諧振模式或不連續(xù)模式下為0.4 V~0.8 V,折返模式下3端口電位固定為0.4 V,不再對激勵(lì)電流做檢測,由內(nèi)部定時(shí)關(guān)閉脈沖。芯片的脈沖頻率總是在40 kHz~130 kHz之間通過2端口的電位自動調(diào)整,而2端口的電位是由電源輸出參數(shù)(預(yù)設(shè)的電壓或電流值)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)整:4.0 V~5.0 V時(shí)工作在準(zhǔn)諧振模式的斷續(xù)狀態(tài);2.0 V~4.0 V時(shí)工作在準(zhǔn)諧振模式的連續(xù)狀態(tài)(130 kHz);1.4 V~2.0 V時(shí)工作在頻率折返模式(40 kHz~130 kHz);0.5 V~1.4 V時(shí)工作在低頻率節(jié)能模式。脈沖頻率越高,輸出功率越小,這正是反激勵(lì)電路的一個(gè)特征。所以UCC28600D適合反激勵(lì)工作方式。
2 由UCC28600D構(gòu)建的軟開關(guān)電源
    電源工作在反激勵(lì)方式下,可以通過調(diào)整脈沖頻率的方式改變輸出功率。而對于正激勵(lì)方式,需要通過改變脈沖占空比的方式調(diào)整輸出功率的大小,UCC28600D芯片本身的變頻率功能起不到直接作用。反激勵(lì)電源的工作方式是先將電能轉(zhuǎn)換成磁場能儲存在磁路或者磁芯材料中,然后在下一個(gè)時(shí)間段再將磁場能轉(zhuǎn)換成電能輸出。單位時(shí)間內(nèi)所儲存的磁場能大小決定著反激勵(lì)電源的輸出功率大小。磁芯材料的可用儲能大小可以由下式計(jì)算[1]:
    
其中μr是材料的相對磁導(dǎo)率,V是磁芯材料體積(以mm3為單位),Bm是最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度(以T為單位)。磁芯材料儲能能力除了與其體積成正比外,還與最大磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比,與相對磁導(dǎo)率成反比。以EC2828鐵氧體磁芯變壓器為例,其磁芯體積約為5 800 mm3,最大磁感應(yīng)強(qiáng)度只能取為0.4 T,而最大可用磁感應(yīng)強(qiáng)度只有0.2 T左右(取值與工作頻率有關(guān))[2],相對磁導(dǎo)率約為2 000。磁芯緊密結(jié)合時(shí),最大儲能為46 μJ,以100 kHz脈沖頻率計(jì)算,最大輸出功率約為4.6 W,而同樣規(guī)格的磁芯以正激勵(lì)方式工作的輸出功率在50 W以上。若在磁路中設(shè)置氣隙,雖然可以增加儲能量,但會增加漏磁。可見單純地采用反激勵(lì)方式并不是最佳方案,難以發(fā)揮出應(yīng)該具備的供電能力。本文設(shè)計(jì)中采用以正激勵(lì)為主的單極性正反激勵(lì)共用方式,使電源能夠提供盡量大的功率,同時(shí),在每一個(gè)周期的供電時(shí)間上更加均衡,有利于減小輸出電壓的脈動量。
    電路如圖1所示,除了交流電壓輸入濾波整流電路外,還包含6個(gè)功能模塊。(1)脈沖產(chǎn)生和激勵(lì)電路,主要由IC1和變壓器T1原邊繞組組成,控制變壓器的能量轉(zhuǎn)換;(2)漏感能量吸收消耗與諧振回路,吸收變壓器漏感所儲存的能量,限制激勵(lì)管上的反激勵(lì)電壓,并與變壓器激勵(lì)繞組構(gòu)成去磁諧振;(3)芯片供電網(wǎng)絡(luò),分為電阻限流供電和變壓器T1反饋供電,提供13 V~15 V之間的芯片工作電壓;(4)線電壓與反激勵(lì)電壓取樣保護(hù)電路,檢測過電壓與否;(5)正、反激勵(lì)輸出與濾波電路;(6)限壓反饋網(wǎng)絡(luò),用以穩(wěn)定輸出電壓。

 

 

3 電路主要參數(shù)的確定
    (1)采用壓敏電阻的漏磁能量吸收兼諧振回路參數(shù)
    漏磁能量吸收和諧振電路由R23、R2、C3、C20、D3和變壓器原邊線圈組成,在進(jìn)入反激勵(lì)期間吸收漏磁通能量。R2采用壓敏電阻,用以限制C3上的電壓基本不超過330 V,使得激勵(lì)管漏極電位基本不超過630 V,保護(hù)激勵(lì)管不會因電壓過高而擊穿。R23是阻尼電阻,消耗所轉(zhuǎn)移的一部分能量。電容C20有兩重作用:一是在反激勵(lì)開始瞬間對二極管D3起到開通緩沖作用;二是構(gòu)成變壓器去磁后的諧振回路。
    變壓器原邊與能量吸收電路構(gòu)成諧振回路,在變壓器儲能基本釋放完畢后,激勵(lì)管漏極電位下降是一個(gè)諧振的過程。激勵(lì)管漏極電位下降速度由電容C20和變壓器初級電感量決定。C20容量越大,激勵(lì)管漏極電位下降速度越快。圖2是C20取100 pF時(shí)的電位曲線,其中幅度大的是激勵(lì)管漏極電位曲線,幅度小的是變壓器輸出電壓曲線。當(dāng)然,諧振周期還與變壓器分布參數(shù)有關(guān)。

    UCC28600D的準(zhǔn)諧振方式所依靠的諧振是變壓器儲能釋放完畢后產(chǎn)生的,下降的幅度與漏極反激勵(lì)電壓幅度相關(guān)聯(lián)。漏極反激勵(lì)電壓越高,漏極電位下降幅度也越大,基本對稱于漏極線電位。因此,反激勵(lì)電壓應(yīng)該略高于線電壓,使得激勵(lì)管漏極電位通過諧振過程下降至0 V附近,盡量多地消除開通激勵(lì)管的損耗。這一點(diǎn)與其他反激勵(lì)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)有明顯區(qū)別。圖2中的反激勵(lì)電壓是200 V,圖3所對應(yīng)的反激勵(lì)電壓為300 V,比前者的諧振低電位明顯低,達(dá)到接近0 V的理想狀態(tài)。

    (2)開關(guān)電源變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)
    開關(guān)電源變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)是開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵內(nèi)容之一。在這里采用限定功率設(shè)計(jì)法[3-4],以60 W為基本設(shè)計(jì)參數(shù),最大輸出電壓為29 V。最大輸出功率對應(yīng)的最低開關(guān)頻率為40 kHz,所需要的輸出功率減小時(shí)驅(qū)動芯片會自動提高開關(guān)頻率,以減小激勵(lì)功率。
    在限定功率設(shè)計(jì)中,首先根據(jù)安裝空間和規(guī)律確定磁芯變壓器規(guī)格。這里選用EC2828臥式結(jié)構(gòu),PC40材料,其中心磁柱載面積Ae約為78.5×10-6 m2,100 kHz下的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bmax只能取為0.4 T,相對磁導(dǎo)率約為2 000。正激勵(lì)電壓為260 V~300 V,反激勵(lì)電壓300 V,正、反激勵(lì)均輸出電能。根據(jù)電壓時(shí)間平衡方程U正t1=U反t2,在最低40 kHz、最大25 μs周期中正激勵(lì)時(shí)間接近12 μs,最大反激勵(lì)時(shí)間約為12 μs,還有至少1 μs的諧振半周期時(shí)間。繞組匝數(shù)越小,電感量越小,在固定時(shí)間內(nèi)電流上升越快,容易進(jìn)入磁飽和。為了防止出現(xiàn)磁飽和,激勵(lì)繞組由一個(gè)最少匝數(shù)限制,激勵(lì)繞組的最小匝數(shù)由下式計(jì)算:
    
其中,線電壓按照最高值300 V代入,最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bmax取為0.36 T,與0.4 T相比留出了一定裕量??紤]輸出繞組匝數(shù)為整數(shù),最低輸入時(shí)的正激勵(lì)輸出電壓應(yīng)該達(dá)到40 V。匝比定為260∶40比較合適,正激勵(lì)輸出繞組N3定為20匝,實(shí)際N1可以取為130匝。正激勵(lì)匝比為6.5。
    根據(jù)60 W輸入功率,若完全按反激勵(lì)輸出,所需的激勵(lì)電流峰值約為1 A。反激勵(lì)是以磁芯所儲存的能量輸出,一般磁芯儲能有限,這一電流值無法單純依靠勵(lì)磁達(dá)到。若按反激勵(lì)輸出能量占總能量的20%計(jì)算,需要的最大勵(lì)磁電流Im為:
    
    在UCC28600D以電流限功率的工作方式中,若將最大激勵(lì)電流限制為1 A,反激勵(lì)電流不足部分由正激勵(lì)電流補(bǔ)足,則最大正激勵(lì)電流應(yīng)該達(dá)到0.7 A,由輸出濾波電感控制。以上是以最大周期計(jì)算極限值,若開關(guān)頻率被提高,芯片自身會相應(yīng)改變限流值。對于輸出29 V電壓,考慮整流二極管等還有一定電壓降,反激勵(lì)輸出繞組的電壓應(yīng)該預(yù)設(shè)為30 V。反激勵(lì)匝比為10∶1。根據(jù)電壓匝比關(guān)系,30 V反激勵(lì)式輸出繞組需要繞制13匝。同理,16 V反饋電壓繞組也采用反激勵(lì)輸出,需要繞制7匝。
    (3)確定限功率電阻
    UCC28600D芯片驅(qū)動的激勵(lì)電路是以限制激勵(lì)電流的方式來限制輸出功率。對于激勵(lì)電流限制型的電源,無論采用正激勵(lì)還是采用反激勵(lì)方式,其輸出功率基本相等。因而可以參照單純的反激勵(lì)勵(lì)磁電流來計(jì)算限流值,進(jìn)而計(jì)算出限功率電阻R12,參見圖1。根據(jù)以上計(jì)算,單純的反激勵(lì)勵(lì)磁電流應(yīng)該達(dá)到1 A左右,0.8 V的限功率電壓對應(yīng)限流電阻應(yīng)取為0.8 Ω。若取為1 Ω,則其實(shí)際輸出功率有所減小。
    (4)確定正激勵(lì)濾波電感量
    輸出整流濾波電路包含正激勵(lì)輸出整流和濾波、反激勵(lì)輸出整流和濾波。正激勵(lì)輸出繞組和反激勵(lì)輸出繞組相互獨(dú)立設(shè)置、獨(dú)立整流。L2、D2a用于正激勵(lì)整流濾波,D2b用于反激勵(lì)整流,兩者共用濾波電容。正激勵(lì)濾波電感L2的電感量過小時(shí)濾波效果不好,過大則電流上升率低,反應(yīng)到激勵(lì)線圈上的電流增量不足,可能會造成開關(guān)頻率降低。確定L2的原則是在12 μs內(nèi)勵(lì)磁電流加正激勵(lì)耦合電流應(yīng)該達(dá)到1 A。根據(jù)電感的伏安關(guān)系,在280 V標(biāo)準(zhǔn)線電壓作用下,9 mH的激勵(lì)繞組經(jīng)過12 μs后,電流增至0.37 A,則耦合電流應(yīng)該達(dá)到0.63 A。正激勵(lì)的耦合匝比是6.5,12 μs內(nèi)濾波電感上的電流增量需要4.1 A。正常的正激勵(lì)情況下,加在濾波電感上的電壓是10 V,只有29 μH的濾波電感才能在12 μs內(nèi)電流上升4.1 A。因此,濾波電感L2的電感量應(yīng)當(dāng)控制在30 μH左右,其取值無需太過嚴(yán)格。
    按以上設(shè)計(jì)可以獲得高性能的小功率電源。輸出42 W時(shí)用示波器低干擾測量法測量電源輸出口電壓的交流分量,如圖4所示。從波形圖中可以看出,輸出電壓只有極小的噪聲電壓成份,噪聲電壓和開關(guān)周期造成的脈動電壓幅度都小于5 mV,是傳統(tǒng)開關(guān)電源所無法實(shí)現(xiàn)的,噪聲電壓已經(jīng)不是電源使用中存在的主要問題。采用了準(zhǔn)諧振工作方式后,激勵(lì)管的損耗較小,輸出42 W功率時(shí)測得電源整體工作效率為85%,最大損耗在輸出整流器、變壓器、漏磁能量吸收電路3個(gè)部分。如果采用同步整流技術(shù)[5],工作效率還可進(jìn)一步提高。

參考文獻(xiàn)
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