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次級(jí)控制的單端正激變換器
摘要：對(duì)比了初級(jí)控制的單端拓?fù)渑c次級(jí)控制的半橋拓?fù)涞漠愅�，給出了次級(jí)控制的單端正激變換器拓?fù)�。并介紹了一個(gè)由初級(jí)啟動(dòng)控制器UCC3960實(shí)現(xiàn)的實(shí)際電路及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果。關(guān)鍵詞：?jiǎn)味苏ぷ儞Q；初級(jí)控制；次級(jí)控制；啟動(dòng)控制器；脈沖邊緣傳輸
引言
近幾年來(lái)，隨著電子及信息產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步向小型化、智能化發(fā)展，電源在這些產(chǎn)品中的地位越來(lái)越重要。開(kāi)關(guān)電源以其體積小、重量輕、效率高得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。隨著電子及信息產(chǎn)品性能指標(biāo)的提高，與之配套的開(kāi)關(guān)電源也出現(xiàn)了一些引人注目的變化。
新一代CPU，大規(guī)模集成電路中的邏輯電平越來(lái)越低，已從3.3V向2.5V，1.8V甚至1.5V，1.2V過(guò)渡，這就使傳統(tǒng)的次級(jí)高頻整流采用肖特基二極管方式的開(kāi)關(guān)電源的效率不能適應(yīng)這一變化。雖然，同步整流技術(shù)解決了這一問(wèn)題，但其驅(qū)動(dòng)方式，在廣泛應(yīng)用于小功率開(kāi)關(guān)電源中的，單端反激和單端正激拓?fù)渲袑?shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜。
低壓的CPU或大規(guī)模集成電路中的供電電流都很大，如果用單一電源供電，電源的成本會(huì)大大提高，系統(tǒng)的可靠性也會(huì)大大降低。最佳的方案是采用N＋1冗余供電方式，這就要求單個(gè)開(kāi)關(guān)電源有均流功能。在通信電源等大功率系統(tǒng)中，均流技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，但在單端變換器組成的小功率系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)均流是有一定難度的。
電子產(chǎn)品的智能化也要求開(kāi)關(guān)電源智能化，如電源要有與CPU或微控制器的接口，接受信號(hào)以控制開(kāi)/關(guān)電源，改變輸出電壓的大小等。
廣泛應(yīng)用的小功率單端（含反激和正激式）開(kāi)關(guān)電源，由于其PWM控制器位于初級(jí)，很難實(shí)現(xiàn)上述功能。人們尋求一種新的電路拓?fù)涫蛊浼扔猩鲜鲂碌墓δ埽直３謧鹘y(tǒng)單端拓?fù)涞暮?jiǎn)單、廉價(jià)的特點(diǎn)，因而，一種次級(jí)控制的單端開(kāi)關(guān)電源得到了應(yīng)用。
1拓?fù)浠仡?br />
目前，廣泛應(yīng)用的開(kāi)關(guān)電源拓?fù)渲饕袉味朔醇な�、單端正激式、半橋式、全橋式、推挽式等類型。如果以PWM控制器位于主變壓器的初、次級(jí)來(lái)分，則有初級(jí)控制的單端反激式、單端正激式；次級(jí)控制的半橋式、全橋式、推挽式。
下面以單端正激式與半橋式拓?fù)錇榇�，討論初�?jí)控制與次級(jí)控制的異同點(diǎn)。
初級(jí)控制單端正激式如圖1所示。次級(jí)控制半橋式如圖2所示。對(duì)比圖1和圖2兩個(gè)電路，可知二者有以下不同。
1）啟動(dòng)和供電圖1電路中，輸入電源經(jīng)R啟動(dòng)控制器，在系統(tǒng)正常后，則由輔助繞組為控制器供電。圖2電路需要專用的輔助電源。輔助電源可以是通過(guò)工頻變壓器降壓整流后帶三端穩(wěn)壓器，也可以是另一個(gè)小功率的單端式開(kāi)關(guān)電源。
2）驅(qū)動(dòng)圖1電路由控制器直接驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管。圖2電路由柵極驅(qū)動(dòng)變壓器驅(qū)動(dòng)。
3）取樣及反饋圖1電路中輸出取樣經(jīng)光耦隔離后送入控制器。圖2電路中輸出取樣直接送入控制器。
圖2電路由于控制器位于次級(jí)，電源輸出性能好，易于與微控制器接口，實(shí)現(xiàn)智能化，但需要一個(gè)獨(dú)立的輔助電源，因而，適合用于功率較大的系統(tǒng)。圖1電路的最大特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、廉價(jià)，因而，適合用于功率較小的場(chǎng)合。
2次級(jí)控制的單端正激式拓?fù)?br />
為了進(jìn)一步提高小功率開(kāi)關(guān)電源的性能，人們研究將控制器置于次級(jí)，并保持單端電路簡(jiǎn)單特點(diǎn)的一種新型拓?fù)湫褪�。這個(gè)拓?fù)涞母境霭l(fā)點(diǎn)是不要輔助電源，由于控制器位于次級(jí)，要解決電源的啟動(dòng)問(wèn)題，還須解決初級(jí)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)及隔離問(wèn)題。圖3的拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)上述要求。
圖3的電路中，應(yīng)用了TI公司最新開(kāi)發(fā)的初級(jí)啟動(dòng)及控制器UCC3960，它專用于次級(jí)控制的單端正激或反激式變換器。它具有一個(gè)啟動(dòng)振蕩器，當(dāng)通過(guò)啟動(dòng)電阻施加電源后，即可使圖3電路開(kāi)始工作；在次級(jí)控制器正常工作后，啟動(dòng)振蕩器的工作頻率被次級(jí)控制器同步，其占空比也受次級(jí)反饋信號(hào)的控制，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)初級(jí)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。UCC3960還有相應(yīng)的保護(hù)電路，UCC3960的腳3外接電阻決定啟動(dòng)振蕩器的工作頻率，該頻率要略高于次級(jí)控制器的工作頻率。
圖3的電路次級(jí)應(yīng)用了單端有源嵌位PWM控制器UCC3580-3。UCC3580-3具有互補(bǔ)的輸出控制，非常適用于同步整流的低電壓輸出，UCC3580-3的UUTI端除了驅(qū)動(dòng)次級(jí)整流管MOS外，還將驅(qū)動(dòng)脈沖邊緣變化信息取出，作為占空比變化的信號(hào)，反饋至UCC3960，經(jīng)處理后驅(qū)動(dòng)初級(jí)開(kāi)關(guān)管。UCC3580的工作原理詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[3]。當(dāng)然其它PWM控制器，如UC3842系列，SG3525，UC3824（也適用于同步整流）等控制芯片也可用于圖3的電
路。
圖450W單端正激變換器
3實(shí)驗(yàn)電路及試驗(yàn)結(jié)果
圖4是由UCC3960及UCC3580－3組成的，次級(jí)控制的50W單端正激變換器的實(shí)際電路。圖4中主變壓器除了初級(jí)繞組和次級(jí)繞組外，還有另外兩個(gè)輔助繞組，分別為UCC3960及UCC3580供電。電路的初級(jí)及次級(jí)的啟動(dòng)過(guò)程如圖5所示。它可以分為4個(gè)階段：
階段1當(dāng)電源接通后，電源電壓經(jīng)啟動(dòng)電阻R1對(duì)電容C1充電，此時(shí)，UCC3960及UCC3580-3均不工作；
階段2電容C1的電壓達(dá)到UCC3960的啟動(dòng)電壓時(shí)，UCC3960進(jìn)入軟啟動(dòng)狀態(tài)，偏置繞組對(duì)C2及C3充電，此時(shí)，UCC3580-3不工作；
階段3電容C3上的電壓達(dá)到UCC3580-3的啟動(dòng)電壓時(shí)，UCC3580-3進(jìn)入軟啟動(dòng)狀態(tài)；
階段4UCC3580-3軟啟動(dòng)結(jié)束，UCC3960及UCC3580-3同時(shí)進(jìn)入工作狀態(tài)，系統(tǒng)進(jìn)入閉環(huán)。
在這4個(gè)階段中，如果初級(jí)偏壓建立不起來(lái)或發(fā)生初級(jí)過(guò)流，則UCC3960進(jìn)入重復(fù)啟動(dòng)的斷續(xù)工作狀態(tài)。
圖4中的隔離及驅(qū)動(dòng)變壓器，它將UCC3580-3的腳4的脈沖上升及下降沿的信息傳送到UCC3960的腳2，上升沿導(dǎo)通初級(jí)的開(kāi)關(guān)管，下降沿關(guān)斷初級(jí)的開(kāi)關(guān)管。由于只取變化的信號(hào)，所以驅(qū)動(dòng)變壓器磁芯的截面積及線圈電感均很小，本例中的驅(qū)動(dòng)變壓器參數(shù)為：初次級(jí)匝數(shù)比4∶4，電感量5.4μH；電容對(duì)次級(jí)驅(qū)動(dòng)方波微分，以取出邊沿信號(hào)；為了防止噪聲干擾，初次級(jí)加了較大的阻尼，線圈的Q值為0.25。
本電路的輸出紋波為30mVP-P。其效率在輸出15A時(shí)為79％。
4結(jié)語(yǔ)
基于UCC3960及UCC3580－3的次級(jí)控制的單端正激變換器，提出了一種新的電路拓?fù)洹＿@種拓?fù)淇墒归_(kāi)關(guān)電源同供電的系統(tǒng)及微控制器通信，以適應(yīng)電子產(chǎn)品智能化的要求。
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