用于通信電源中的零電壓準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)變換器

摘要：分析零電壓準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)變換器的基本工作原理，同時(shí)介紹PFM控制器UC1864。實(shí)踐證明，采用這種軟開(kāi)關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)的通信開(kāi)關(guān)電源，具有良好的性能。

關(guān)鍵詞：軟開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換器脈頻調(diào)制

The Application of Zero－ voltage Quasi－ resonant Switching Converter

in Telecommunication Power Supplies

Abstract:The paper analyzes the basic principle of zero－ voltage quasi－ resonant switching converter,and introduces PFM controller UC1864.The experimentation results that the sort of soft－ switching control technology has the good characteristics to the telecommunication switching mode power supply.

Keyword:Soft－ switching Quasi－ resonant converter PFM

1引言

　　隨著電子應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展，要求電子儀器和設(shè)備的可靠性不斷提高、功能不斷增加、使用趨向自動(dòng)化及智能化、體積小型化。這樣開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)勢(shì)便顯示出來(lái)，它已廣泛應(yīng)用于以電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備中，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的支撐。另一方面，由于集成電路技術(shù)的普及應(yīng)用，也促進(jìn)了電子設(shè)備的小型化和多功能化，使成本不斷降低。但限制開(kāi)關(guān)電源體積減小和重量減輕，主要是開(kāi)關(guān)電源的變壓器、電抗器等磁性元件和平滑波形的電容器。雖說(shuō)可通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率減小磁性元件和平滑電容器的尺寸，但卻帶來(lái)元器件損耗增大、溫升增高。同時(shí)開(kāi)關(guān)頻率提高后，受電路中分布電感和電容或二極管中存儲(chǔ)電荷的影響而產(chǎn)生浪涌或噪聲。這樣，不僅會(huì)影響周?chē)娮釉O(shè)備，而且還會(huì)大大降低電源裝置本身的可靠性。目前，提高開(kāi)關(guān)電源工作頻率的一種最有效的方法，是采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，即在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)加在開(kāi)關(guān)兩端的電壓或通過(guò)開(kāi)關(guān)的電流呈正弦波，這樣既可減少開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)也可以控制浪涌的發(fā)生，使得噪聲很小。

　　基于以上考慮，通信車(chē)載電源的研制，采用了零電壓準(zhǔn)諧振式開(kāi)關(guān)變換器，使整個(gè)電源達(dá)到體積小、重量輕、電磁兼容性好、成本低、可靠性高等特點(diǎn)。

圖1整機(jī)電路原理框圖

2系統(tǒng)總體框圖及控制原理

　　整機(jī)電路可以分成如圖1所示的兩大部分。

　　輸入直流13．5V電源經(jīng)輸入保護(hù)、輸入濾波給開(kāi)關(guān)電路提供直流電壓和脈動(dòng)電流。開(kāi)關(guān)電路由控制電路提供脈頻可調(diào)的信號(hào)，控制開(kāi)關(guān)管的通斷，將直流電壓變換成為交變電壓，再經(jīng)輸出整流濾波電路平滑成低紋波的26V直流輸出電壓。

　　控制電路由脈頻調(diào)制（PFM）電路、電壓采樣、保護(hù)電路等組成。電壓采樣電路將取出與輸出電壓成正比的信號(hào)，送至脈頻調(diào)制電路，調(diào)整開(kāi)關(guān)管的脈沖頻率，達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。電路的保護(hù)功能，是當(dāng)檢測(cè)到開(kāi)關(guān)管有過(guò)流、輸入電壓欠壓或極性接反，立即關(guān)斷輸入電壓及PFM控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電源本身和負(fù)載的保護(hù)措施。

3零電壓準(zhǔn)諧振電路

3．1準(zhǔn)諧振電路結(jié)構(gòu)

　　主開(kāi)關(guān)電路為零電壓半波準(zhǔn)諧振升壓變換器，如圖2所示。

圖2零電壓半波諧振升壓變換器電路

　　設(shè)計(jì)零電壓準(zhǔn)諧振電路有兩種方式：一是全波型，二是半波型。零電壓準(zhǔn)諧振電路的全波型比半波型多串聯(lián)了一個(gè)反向二極管。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，全波型串聯(lián)二極管起到反向電流阻止作用，但開(kāi)關(guān)中的結(jié)電容的能量在開(kāi)關(guān)關(guān)斷期間被儲(chǔ)存，在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間承受電容導(dǎo)通的損耗，這在高頻下工作是不利的，所以準(zhǔn)諧振變換器的方式，在高頻情況下一般選擇零電壓半波準(zhǔn)諧振變換器電路。

3．2基本工作原理

　　準(zhǔn)諧振變換器的特性受諧振電路中Lr、Cr的影響很大，分析工作原理時(shí)，需引入下述參數(shù)：　特性阻抗　規(guī)一化開(kāi)關(guān)頻率　規(guī)一化負(fù)載電阻　諧振角頻率

　　電壓變比n=UO/Ui

　　零電壓半波準(zhǔn)諧振變換器，在穩(wěn)態(tài)工作下，一個(gè)完整的開(kāi)關(guān)周期可分為四個(gè)階段，其等效電路如圖3所示。

圖3零電壓準(zhǔn)諧振變換器的等效電路

圖4零電壓準(zhǔn)諧振變換器的典型波形

　　將輸入部分看作恒流源Ii，輸出負(fù)載部分看作電壓負(fù)載UO，零電壓準(zhǔn)諧振變換器典型波形如圖4所示。

　?。?）電容充電階段[t0－t1]

　　在t0時(shí)刻，開(kāi)關(guān)VT關(guān)斷，電容Cr充電，Cr上的電壓線性上升，在t1時(shí)刻，Ucr達(dá)到UO，二極管VDO導(dǎo)通。

　　t1時(shí)刻，二極管VDO導(dǎo)通，電容與電感產(chǎn)生諧振，在t2時(shí)刻Ucr降到零時(shí)，由反向并聯(lián)二極管鉗位于零，諧振狀態(tài)結(jié)束。初始條件為uCr（t1）=UO

iLr(t1)=0

狀態(tài)方程式的解為uCr=UO＋I(xiàn)crZrsinωr(t－t1)

iLr=Icr－IcrZrcosωr(t－t1)

　?。?）電感放電階段[t2－t3]

　　在t2以后，電感電流線性下降，在時(shí)間t3下降到零。同時(shí)，在t2時(shí)刻，Ucr降到零以后，開(kāi)關(guān)中的二極管電流降到零時(shí)，開(kāi)關(guān)中的晶體管開(kāi)始導(dǎo)通，即零電壓導(dǎo)通。

　?。?）續(xù)流階段[t3－t4]

　　在t3時(shí)刻，開(kāi)關(guān)晶體管繼續(xù)導(dǎo)通，輸入電流流過(guò)晶體管，流過(guò)晶體管的電流保持不變，直到t4時(shí)管子關(guān)斷，完成一個(gè)周期。輸出電流的平均值（直流電流）由以上分析得，電壓半波準(zhǔn)諧振升壓變換器的電壓變比　零電壓開(kāi)關(guān)條件IO≥Ui/Zr

　　對(duì)于零電壓準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)，加在開(kāi)關(guān)兩端的電壓與流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流峰值為Usp=UO＋I(xiàn)iZr Isp=Ii

4PFM控制電路

　　本機(jī)PFM控制電路采用的是Unitorde公司推出的UC1864高效率脈頻調(diào)制電路。

4．1UC1864的主要性能特點(diǎn)

　　UC1864采用DIP－16封裝，管腳排列如圖5所示。

圖5UC1864的管腳排列

　　各管腳的功能如下：

　　UI—輸入電源端，UI通常取12—20V直流電壓。

　　OUT1、OUT2—分別為輸出端1、輸出端2。

　　SGND、PGND—分別是信號(hào)地與功率地，二者應(yīng)在輸出端匯合。

　　5V—內(nèi)部5V發(fā)生器的引出端。

　　FAULT—保護(hù)電路輸入端。

　　SVREF—軟起動(dòng)及基準(zhǔn)電壓端。

　?。ⅲ?、Ur—分別為誤差放大器的同相輸入端、反相輸入端、誤差電壓輸出端。

　　Cv、Ra、Rm—壓控振蕩器的外接阻容元件端。其中，Cv是振蕩電容。利用Ra可定出最高振蕩頻率與最低振蕩頻率的比值：fsmax/fsmin，所以稱(chēng)之為振蕩頻率的量程電阻。Rm則用以設(shè)定fsmin值。Cv、Ra和Rm應(yīng)接在相應(yīng)的引出端與信號(hào)地之間。

　　ZERO—零點(diǎn)比較器的零點(diǎn)檢測(cè)信號(hào)輸入端。

　　RT/CT—瞬間定時(shí)器的外接定時(shí)電阻和定時(shí)電容的公共端。

　　UC1864有如下主要特點(diǎn)：

　　（1）具有脈沖寬度固定而頻率可變的脈沖頻率調(diào)制原理，兩個(gè)輸出端，可作并聯(lián)使用。

　?。?）采用零電壓開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)方案，使外部MOS開(kāi)關(guān)功率管工作在理想的通、斷狀態(tài)。

　?。?）內(nèi)部有寬頻帶的壓控振蕩器（VCO），頻率范圍一般設(shè)定為50～500kHz。振蕩頻率受反饋的誤差電壓控制。

（4）完善的保護(hù)電路，有欠壓鎖定電路和故障比較器。當(dāng)輸入電壓低于7V閾值或者檢測(cè)到過(guò)壓、過(guò)流故障時(shí)，能將兩個(gè)輸出端拉成低電平，起到保護(hù)作用。

　　（5）具有通電時(shí)軟起動(dòng)功能，同時(shí)當(dāng)故障排除后能重新起動(dòng)。

4．2UC1864工作原理

　　UC1864內(nèi)部主要包括誤差放大器，壓控振蕩器，瞬時(shí)定時(shí)器，控制邏輯，輸出級(jí)，欠壓鎖定。5V電壓發(fā)生器，故障比較器，故障鎖存器和延遲鎖存器，零點(diǎn)比較器等。如圖6所示。

圖6UC1864的內(nèi)部框圖

　　誤差放大器的同相輸入端接反饋的輸出電壓UO，反相輸入端接軟基準(zhǔn)端的5V基準(zhǔn)電壓，由它輸出的誤差電壓Ur就作為控制電壓，用來(lái)控制壓控振蕩頻率fs。

　　壓控振蕩器（VCO），其振蕩頻率受Ur控制。設(shè)計(jì)時(shí)，通常先選定fsmax、fsmin值，求出fsmax/fsmin比值以及中心頻率fso值，再根據(jù)下列公式計(jì)算外圍元件值：fso=(fsmax＋fsmin)/2

　　頻率調(diào)制靈敏度為

fs/Ur=－1/(RaCv)

上式中，負(fù)號(hào)表示Ur電壓升高時(shí)，振蕩頻率降低。單位為f：kHz，C：μF，R：kΩ。

　　零點(diǎn)電壓檢測(cè)及比較電路，目的是要實(shí)現(xiàn)真正的零電壓開(kāi)關(guān)。零點(diǎn)比較器的參考電壓為0．5V，信號(hào)電壓取自主電路開(kāi)關(guān)MOS管漏—源極電壓Uds。當(dāng)Uds

波形的下降沿通過(guò)0．5V時(shí)，零點(diǎn)比較器就翻轉(zhuǎn)，改變瞬間定時(shí)器的狀態(tài)，進(jìn)而使輸出級(jí)關(guān)斷。

　　故障比較器、故障鎖存器和延遲鎖存器構(gòu)成的保護(hù)電路，有兩種保護(hù)方式：軟起動(dòng)和重新起動(dòng)。

　　計(jì)算軟起動(dòng)時(shí)間（t1）和重新起動(dòng)的延遲時(shí)間（t2）為

t1=10－2C

t2=1．9×10－2C

式中C的單位為μF,t1，t2單位為s

　　UC1864的穩(wěn)壓工作過(guò)程可概括為：通電后首先經(jīng)過(guò)軟起動(dòng)階段建立輸出電壓UO，然后由誤差放大器，輸出的控制電壓Ur來(lái)調(diào)制VCO的振蕩頻率fs，再經(jīng)過(guò)瞬間定時(shí)器、控制邏輯和輸出級(jí)，驅(qū)動(dòng)外部MOS開(kāi)關(guān)管，最后通過(guò)整流濾波電路獲得穩(wěn)定的輸出電壓UO。假若輸出電壓UO升高，即進(jìn)行下述閉環(huán)調(diào)整：

　　UO↑→Ur↑→fS↓→UO↓,使輸出電壓降至穩(wěn)定值，反之亦然。

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

5.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　采用零電壓準(zhǔn)諧振變換器以及UC1864脈頻調(diào)制集成電路，為部隊(duì)設(shè)計(jì)了一種車(chē)載通信電源。經(jīng)測(cè)試達(dá)到如下技術(shù)指標(biāo)：

　　輸入電壓:DC13.5V±15％

　　輸出電壓:DC26V

　　最大輸出電流：15A

　　源效應(yīng)及負(fù)載效應(yīng)：<1％

　　紋波電壓：≤20mVP－P

　　整機(jī)效率:>85％

5.2討論

　　(1)準(zhǔn)諧振變換器電路在設(shè)計(jì)時(shí),不但要考慮在輕負(fù)載下滿(mǎn)足諧振條件,又要考慮到重負(fù)載時(shí),開(kāi)關(guān)管上所承受的電壓。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì),本電路輸出在26V、2.5A到26V、15A的情況下，其轉(zhuǎn)換效率η>85％。

　　(2)由于準(zhǔn)諧振電路采用的是脈頻調(diào)制方法，需根據(jù)頻率范圍來(lái)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臑V波電路，以減小輸出電壓的紋波。

　　(3)準(zhǔn)諧振變換器電路與ZVS—PWM電路相比，雖然ZVS—PWM是采用固定頻率脈寬調(diào)制的方式控制輸出電壓，但也面臨輕負(fù)載下難于滿(mǎn)足諧振條件的問(wèn)題，而且在同樣情況下還需增加一個(gè)輔助開(kāi)關(guān)管，控制電路較復(fù)雜。

6結(jié)論

　　零電壓準(zhǔn)諧振變換器的突出優(yōu)點(diǎn)在于，加在主開(kāi)關(guān)器件兩端的電壓呈正弦波，開(kāi)關(guān)時(shí)在零電壓處通斷。同時(shí)，開(kāi)關(guān)中寄生電感與電容作為諧振元件的一部分，可完全控制開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)電流浪涌與斷開(kāi)時(shí)電壓浪涌的發(fā)生。采用這種方式不僅能把開(kāi)關(guān)損耗減到很小，而且能降低噪聲。這種方式已成為開(kāi)關(guān)電源高頻化較好的方式之一。

參考文獻(xiàn)

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