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一款2KW高频开关电源电路的设计方法以及实现

2013-10-22 16:37
月城清浅
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  近年来,随着电子技术的发展,邮电通信、交通设施、仪器仪表、工业设施、家用电器等越来越多地应用开关电源,随着科学技术的不断进步,对大功率电源的需求也就越来越大。与此同时大量集成电路、超大规模集成电路等电子通信设备日益增多,要求电源的发展趋势是小型化、轻量化。通常滤波电感、电容和变压器的体积和重量比较大,因此主要是靠减少它们的体积来实现小型化、轻量化。

  我们可以通过减少变压器的绕组匝数和金减小铁心尺寸来提高工作频率,但在提高开关频率的同时,开关损耗会随之增加,电路效率会严重下降。针对这些问题出现了软开关技术,它利用以谐振为主的辅助换流手段,解决了电路中的开关损耗和开关噪声问题,使开关电源能高频高效地运行,从20世纪70年代以来国内外就开始不断研究高频软开关技术,目前已比较成熟,下面以2KW的电源为例进行设计。

  设计内容和方法

  1、主电路型式的选择

  变换电路的型式主要根据负载要求和给定电源电压等技术条件进行选择。在几种常用的变换电路中,因为半桥、全桥变换电路功率开关管承受的电压比推挽变换电路低一倍,由于市电电压较高,所以不选推挽变换电路。半桥变换电路与全桥变换电路在输出同样功率时,半桥变换电路的功率开关管承受二倍的工作电流,不易选管,输出功率较全桥小,所以采用全桥变换电路。

  传统的全桥变换电路开关元件在电压很高或电流很大的条件下,在门极的控制下开通或关断,开关过程中电压、电流均不为零,出现重叠,导致了开关损耗。开关损耗随开关频率增加而急剧上升,使电路效率下降,阻碍了开关频率的提高。在移相控制技术的基础上,利用功率管的输出电容和输出变压器的漏电感作为谐振元件,使全桥变换器四个开关管依次在零电压下导通,实现恒频软开关。由于减少了开关过程损耗,变换效率可达80%-90%,并且不会发生开关应力过大。所以选用移相控制全桥型零电压开关脉宽调制(PSC FB ZVS-PWM)变换电路。

  移相控制全桥变换电路是目前应用最为广泛的软开关电路之一,它的特点是电路简单,与传统的硬开关电路相比,并没有增加辅助开关等元件。原理如图1所示,主要由四个相同的功率管和一个高频变压器压器组成。E为输入直流电压, T1~T4 为开关管, D1~D4 为体内二极管,C1 ~C4 为开关的输出电容。以第一个桥臂为例介绍,利用变压器漏感和功率输出电容C1 谐振,漏感储能向电容 C1释放过程中,使电容上的电压逐步下降到零,体内二极管D1开通,创造了T1 的ZVS条件。

一款2KW高频开关电源电路的设计方法以及实现

图1 移相控制全桥变换电路原理图

  2、控制方式

  控制方式是指变换器控制电路通过何种途径控制主电路实现自动控制目的,达到自动稳压或稳流的要求。传统的PWM型电子开关开通和关断开关上同时存在电压、电流,损耗比较大,零电压开关-脉宽调制变换器(ZVS-PWM)是电子开关在两端电压为零时导通电流为零时关断,开通、关断损耗理想值为零。在此选用典型的UC3875构成的移相控制全桥零电压开关-脉宽调制变换电路。

  2.1、UC3875控制芯片

  UC3875是美国UNITRODE公司针对移相控制方案推出的专用芯片。UC3875可对全桥开关的相位进行相位移动,实现定频脉宽调制控制。UC3875其外型有20引脚封装和28引脚封装,在此以20引脚为例介绍一下该器件。

  2.1.1、内部结构方框图和管脚功能

一款2KW高频开关电源电路的设计方法以及实现

图2 UC3875内部结构方框图

  内部结构方框图如下图所示: 管脚功能如下:1脚(Vref),基准电压;2脚(E/A OUT),误差放大器的反相输出;3脚(E/A-)误差放大器的反相输入;4脚(E/A+)误差放大器的同相输入;5脚(C/S+)电流检测;6脚(SOFRSTART)软起动;7脚(DELAY SET C/D)输出延迟控制;8脚(OUT D)输出D;9脚(OUT C)输出C;10脚(Vcc )电源电压;11脚( Vin)芯片供电电源;12脚(PWR GND)电源地;13脚(OUTB)输出B;14脚(OUTA)输出A;15脚(DELAY SETA/B)输出延迟控制;16脚(FREQ SET)频率设置端;17脚(CLOCK/SYNC)时钟/同步;18脚(SLOPE)陡度;19脚(斜波)20脚(信号地)。

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