第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 第第5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.1 概述概述 5.2 功率因数校正基本电路功率因数校正基本电路 5.3 零电压过渡零电压过渡(ZVT)单相有源功率因数校正电路单相有源功率因数校正电路 5.4 谐振型三相有源功率因数校正电路谐振型三相有源功率因数校正电路 5.5 PWM型直流变换器型直流变换器 5.6 谐振型直流变换器谐振型直流变换器 5.7 并联均流技术并联均流技术 5.8 通信用通信用DUM23高频开关组合电源高频开关组合电源 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.1 概概 述述 5.1.1开关型稳压电源的组成开关型稳压电源通常由输入滤波电路、工频整流电路、功率因数校正电路、直流变换器和输出滤波器等部分组成，如图5-1所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-1开关型稳压电源的基本组成第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 工频整流器的主要作用是将交流输入电压变换为直流电压。该整流器通常采用单相或三相桥式整流电路，为了使输入电压比较平稳，输出端还必须加入滤波电容。功率因数校正电路的主要作用是：通过升高整流器输出的直流电压，迫使交流输入电流与交流输入电压的波形及相位基本相同，从而使功率因数接近于1。该电路通常采用直流升压变换器。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 直流变换器的主要作用是将功率因数校正电路输出的直流高压变换为通信和其他电子设备所需的电压。常用的直流变换器有单端变换器、推挽变换器和桥式变换器等。输出滤波器的主要作用是衰减直流变换器输出电压中的高频分量，降低输出纹波电压，从而满足通信和其他电子设备的要求。输出滤波器也采用LC低通滤波器。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.1.2开关型稳压电源与其他稳压电源比较目前，通信和其他电子设备采用的稳压电源主要有线性稳压电源、相控型稳压电源和开关型稳压电路。线性稳压电源中，调整元件串联在负载回路中，其作用就像一只可变电阻，输入电压或负载变化时，串联调整元件的压降改变，从而使输出电压稳定不变。当输入电压过高时，串联调整管的功耗很大，因此效率很低。当输入电压波动范围为20%时，5V稳压器的典型效率只有35%，输入电压波动范围小于16%时，典型效率也只能达到50%。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 线性稳压器的主要优点是电路比较简单，稳压精度较高，输出纹波电压也较低。近年来，推出的低压差(输入和输出电压之差很低的)线性稳压器，不仅具有线性稳压器的全部优点，而且效率也有明显提高，目前已广泛应用于小功率低电压的电子设备中。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 相控型稳压电源的基本工作原理是：当输入电压或负载变化时，改变晶闸管的导通角，可使输出电压稳定不变。与线性稳压电源相比，由于调整元件(晶闸管)工作于开关状态，所以功耗较小，效率也较高，通常可达到70%。要求输入和输入隔离时，相控型稳压电源的输入端必须加入工频变压器。由于工作频率很低(50Hz)，所以变压器的体积和重量都很大，同时输出端的电滤波电感和滤波电容的体积和重量也很大。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.2 功率因数校正基本电路功率因数校正基本电路 5.2.1功率因数的基本定义功率因数(PF)是指交流输入有功功率P与视在功率S的比值，即第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 式中：r为基波因数，即基波电流有效值I1与电网电流有效值IR之比； IR为电网电流有效值； I1为基波电流有效值；VL为电网电压有效值；cos为基波电流与基波电压的位移因数。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 在线性电路中，无谐波电流、电网电流有效值IR与基波电流有效值I1相等，基波因数r=1，所以，功率因数PF应为：PF=cos第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.2.2无功率因数校正电路的开关电源存在的主要问题在无功率因数校正的开关电源中，交流输入电压经整流后，直接加到滤波电容器两端。只有交流输入电压高于滤波电容两端电压时，滤波电容才开始充电，因此输入电流波形为宽度很窄的脉冲，如图5-2所示，这种电流的谐波分量很大，输入总谐波失真可高达100%130%。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-2单相桥式整流电路输入电压和电流的波形第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 功率因数较低的开关电源存在许多问题，主要有：(1)谐波电流污染电网，干扰其他用电设备，造成测量仪表产生较大的误差，还会使电动机产生较大的噪声。(2)在输入功率一定的条件下，输入电流有效值较大，因此必须增大输入熔断器、断路器和电源线的规格。(3)特别应当指出，通信用开关型电源通常都采用三相五线制供电，三相基波电流可分别由下列各式表示：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 Ia1 =Im1 sint Ib1 =Im1 sin(t-120) Ic1 =Im1 sin(t+120)三次谐波电流可分别由下列各式表示： Ia3 =Im3 sin3t Ib3 =Im3 sin(3t-360) Ic3 =Im3 sin(3t+360)第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 由此可知，三相电流的三次谐波分量是同相位的，同理，三相电流的六次、九次等谐波分量也是同相位的。由于三相电流都流过中线，当功率因数为1时，流过中线的电流为零；当功率因数很低时，中线内的电流很大。由于中线无过流保护装置，所以，中线有可能因过热而着火。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.2.3功率因数校正的基本方法在开关型电源中，功率因数校正的基本方法有两种：无源功率因数校正和有源功率因数校正。采用无源功率因数校正法时，应在开关电源输入端加入电感量很大的低频电感，以便减小滤波电容充电电流的尖峰。这种校正方法比较简单，但是校正效果不很理想，通常经无源功率因数校正后，功率因数可达到0.85。此外，采用无源校正法时，功率因数校正电感的体积很大，增加了开关电源的体积。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.2.4有源功率因数校正电路基本原理有源功率因数校正(PFC)电路的原理框图如图5-3所示。它主要由桥式整流器、高频电感L、功率开关管VT、二极管VD、滤波电容C和控制器等部分组成。该电路实质上是一种升压变换器。控制器主要由基准电源、低通滤波器、误差电压放大器、乘法器、电流检测与变换电路、电流放大器、锯齿波发生器、比较器和功率开关管驱动电路等部分组成。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 功率因数校正电路的输出电压经低通滤波器虑波后，加入误差放大器，与直流基准电压比较，二者之差经放大后，送入乘法器。为了使功率因数校正电路的输入电流为正弦波并且与电网电压同相位，市电电压经全波整流后，也加到乘法器。乘法器将输入电压信号与输出电压误差信号相乘后形成基准电流信号，送入电流放大器。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-3有源功率因数校正电路的原理框图第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 电流取样电阻RS两端电压正比于功率因数校正电路的输入电流。RS两端输入电流反馈信号加到电流放大器，与乘法器输出的基准电流信号相减。误差信号经电流放大器放大后，与锯齿波发生器产生的锯齿波电压，都加入比较器C，经比较后，形成脉宽调制(PWM)信号。该信号经驱动电路放大后，控制功率开关管VT(MOSFET)导通或关断，使输入电流跟踪基准电流信号变化。MOSFET导通后，高频电感L中的电流iL(也即功率因数校正电路输入电流)线性性上升。当iL的波形与整流后的市电电压波形相交时，通过控制器使MOSFET关断。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 功率因数校正电路输入电压和电流波形如图5-4所示。可以看出，输入电流平均值Iave 的波形始终跟随输入电压的波形，因此功率因数非常接近于1。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-4功率因数校正电路的输入电压和电流的波形第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.2.5有源功率因数校正控制器UC3854应用 1.概述UC3854是一种有源功率因数校正专用控制电路。它可以完成升压变换器校正功率因数所需的全部控制功能，使功率因数达到0.99以上，输入电流波形失真小于5%。该控制器采用平均电流型控制，控制精度很高，开关噪声校低。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 采用UC3854组成的功率因数校正电路后，当输入电压在85260V之间变化时，输出电压还可保持稳定，因此也可作为AC/DC稳压电源。UC3854采用推拉输出级，输出电流可达1A以上，因此输出的固定频率PWM脉冲可驱动大功率MOSFET。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2.UC3854的基本组成UC3854内部框图如图5-5所示，它由以下几部分组成：欠压封锁比较器(UVLC)：电源电压VCC 高于16V时，基准电压建立，振荡器开始振荡，输出级输出PWM脉冲。当电源电压VCC 低于10V时，基准电压中断，振荡器停振，输出级被封锁。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-5UC3854内部框图第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 使能比较器(EC)：使能脚(10脚)输入电压高于2.5V时，输出级输出驱动脉冲；使能脚输入电压低于2.25V时，输出级关断。以上两比较器的输出都接到与门输入端，只有两个比较器都输出高电平时，基准电压才能建立，器件才输出脉冲。电压误差放大器(VEA)：功率因数校正电路的输出电压经电阻分压后，加到该放大器的反相输入端，与7.5V基准电压比较，其差值经放大后加到乘法器的一个输入端(A)。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 乘法器(MUL)：乘法器输入信号除了误差电压外，还有与已整流交流电压成正比的电流IAC (B端)和前馈电压VRMS 。电流误差放大器(CEA)：乘法器输出的基准电流IMO 在RMO 两端产生基准电压。电阻RS两端压降与RMO 两端电压相减后的电流取样信号，加到电流误差放大器的输入端，误差信号经放大后，加到PWM比较器，与振荡器的锯齿波电压比较，调整输出脉训的宽度。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 振荡器(OSC)：振荡器的振荡频率由14脚和12脚外接电容CT和电阻RSET决定，只有建立基准电压后，振荡器才开始振荡。PWM比较器(PWMCOMP)：电流误差放大器输出信号与振荡器的锯齿波电压经该比较器后，产生脉宽调制信号，该信号加到触发器。触发器(FLIPFLOP)：振荡器和PWM比较器输出信号分别加到触发器的R、S端，控制触发器输出脉冲。该脉冲经与门电路和推拉输出级后，驱动外接的功率MOSFET。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 基准电源(REF)：该基准电压受欠压封锁比较器和使能比较器控制，当这两个比较器都输出高电平时，9脚可输出7.5V基准电压。峰值电流限制比较器(LMT)：电流取样信号加到比较器的输入端，输出电流达到一定数值后，该比较器通过触发器关断输出脉冲。软启动电路(SS)：基准电压建立后，14A电流源对SS脚外接电容CSS 充电。刚开始充电时，SS脚电压为零，接在SS脚内的隔离二极管导通，电压误差放大器的基准电压为零。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 3.管脚排列及功能UC3854有多种封装形式，常用的是DIL-16封装。这种封装的管脚排列如图5-6所示。1脚GND接地脚：所有电压的测试基准点。振荡器定时电容的放电电流也由该脚返回，因此定时电容到该脚的距离应尽可能短。2脚PKLMT峰值限流：峰值限流门限值为0V。该脚应接入电流取样电阻的负电压。为了使电流取样电压上升到地电位，该脚与基准电压脚(REF)之间应接入一只电阻。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图56DIL-16封装管脚排列第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 3.管脚排列及功能UC3854有多种封装形式，常用的是DIL-16封装。这种封装的管脚排列如图5-6所示。 1脚GND接地脚：所有电压的测试基准点。振荡器定时电容的放电电流也由该脚返回，因此定时电容到该脚的距离应尽可能短。2脚PKLMT峰值限流：峰值限流门限值为0V。该脚应接入电流取样电阻的负电压。为了使电流取样电压上升到地电位，该脚与基准电压脚(REF)之间应接入一只电阻。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 3脚CAOut电流放大器输出：该脚是宽带运放的输出端，该放大器检测并放大电网输入电流，控制脉宽调制器，强制校正电网输入电流。4脚ISENSE电流取样电压负极：该脚为电流放大器反相输入端。5脚MultOut乘法器的输出端和电流取样电压的正极：模拟乘法器的输出直接接到电流放大器的同相输入端。6脚IAC输入交流电流取样信号：电流取样信号IAC从该脚加到模拟乘法器。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 7脚VAOut电压放大器输出端：该端电压可调整输出电压。8脚VRMS有效值电压输入端：整流桥输出电压经分压后加到该脚，为了实现最佳控制，该脚电压应在1.53.5V之间。9脚VREF基准电压输出端：该脚输出7.5V基准电压，最大输出电流为10mA，并且内部可以限流，当VCC较低或使能脚ENA为低电平时，该脚电压为零，该脚到地应接入0.1F电容。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 10脚EAN使能控制端：使UC3854输出PWM驱动电压的逻辑控制信号输入端。该信号还控制基准电压、振荡器和软启动电路。不需要使能控制时，该脚应接到5V电源或通过100k电阻接到VCC脚。11脚VSENSE电压放大器反相输入端：功率因数校正电路的输出电压经分压后加到该脚。该脚与电压放大器输出端(7脚)之间还应加入放大器(RC)补偿网络。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 12脚RSET振荡器定时电容充电电流和乘法器最大输出电流设定电阻接入端：该脚到地之间接入一只电阻，可设定定时电容的充电电流和乘法器最大输出电流。乘法器最大输出电流为3.75V/RSET。13脚SS软启动端：UC3854停止工作或VCC过低时，该脚为零电位。开始工作后，14A电流对外接电容充电，该脚电压逐渐上升到7.5V，PWM脉冲占空比逐渐增大，输出电压逐渐升高。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 14脚CT振荡器定时电容接入端：该脚到地之间接入定时电容CT，可按下式设定振荡器的工作频率：15脚VCC 正电流电压：为了保证正常工作，该脚电压应高于17V，为了吸收外接MOSFET栅极电容充电时产生的电流尖峰，该脚到地之间应接入旁路电容器。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 16脚GTDrv栅极驱动电压输出端：该脚输出电压驱动外接的MOSFET。该脚内部接有箝位电路，可将输出脉冲幅值箝位在15V，因此当VCC 高达35V时，该器件仍可正常工作。使用中，该脚到MOSFET的栅极之间应串入大于5的电阻，以免驱动电容负载时，发生输出电流过冲。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 4.实际应用电路UC3854组成的250W功率因数校正电路如图5-7所示。该电路输入电压范围为85265V，功率因数可达0.99以上。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-7250W100kHz功率因数校正电路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 1)基本组成 该电路由两部分组成：以UC3854为核心的控制电路和升压变换器电路。 升压变换器电路由1mH升压电感、功率MOSFET(APT5025)、隔离二极管(VHV806)和450F滤波电容等组成。升压电感工作于电流连续状态。在这种状态下，脉冲占空比决定于输入与输出电压之比，输入电流的纹波很小，因此电网噪声很小。此外，升压变换器的输出电压必须高于电网输入电压的峰值。 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 控制电路由UC3854及其外接元件组成。GTDrv脚输出的PWM脉冲加到功率MOSFET的栅极。驱动脉冲的占空比同时受以下四个输入信号控制： 11脚VSENSE ：直流输出电压取样信号； 6脚IAC ：电网电压波形取样信号； 4脚ISENSE /MultOut：电网电流取样信号； 8脚VRMS ：电网电压有效值取样信号。 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 为了保护功率MOSFET，该器件还有三个保护控制信号： 10脚ENA：启动延时； 13脚SS：软启动； 2脚PKLMT：限制最大电流。 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2)输入保护 ENA(使能)：该脚电压达到2.5V后，基准电压和驱动电压(GTDrv)才能建立。接通电源并经过一定延时后，才能输出驱动信号。如果不用此功能，该脚应通过100k电阻接到VCC 脚。 SS(软启动)：该脚电压可降低电压误差放大器的基准电压，以便调整功率因数校正电路的直流输出电压。该脚可输出14A电流，对0.01F软启动电容充电，使该电容两端电压从0V上升到7.5V。 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 RKLMT(峰值电流限制)：该脚输入信号可限制功率MOSFET的最大电流。采用图5-7中所示的分压电阻时，当0.25电流取样电阻两端电压为(7.5V2 k)/10 k=1.5 V时， 最大电流为6A(6 A0.25=1.5V)。此时，PKLMT脚的电压为0V，输出电流大于6A时，将开始限流。为了滤除高频噪声，该脚到地之间应接入470pF旁路电容。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 3)控制输入VSENSE(输出直流电压取样)：VSENSE输入门限电压为7.5V，输入偏置电流为50nA。输出端分压电阻值应保证该脚输入电压不高于7.5V，如：图5-7中的180k电阻和47nF电容组成电压放大器补偿网路。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 IAC(电网输入电压波形取样)：为了强制电网输入电流的波形与输入电压的波形相同，必须在IAC脚加入电网输入电压波形取样信号。该信号(IAC)与电压误差放大器的输出信号在乘法器中相乘，产生电流控制回路的基准电流信号。当电网输入电压过零时，IAC脚的电流为零，当电网输入电压达到峰值时，IAC脚的电流应为400A，因此RAC可按下式计算：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 IAC脚与基准电压(REF)脚之间的电阻RREF应为ISENSE/MultOut(电网输入电流取样)：0.25电流取样电阻两端的压降加到4脚和5脚(即电流放大器的两输入端)之间。630pF和62pF电感与24k电阻组成电流放大器补偿网络。电流放大器具有很宽的带宽，从而可使电网电流跟随电压而变化。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 VRMS(电网电压有效值取样)：该电路交流输入电压可在85260V之间变化，采用电网电压有效值前馈电路，可保证输入电压变化时输入功率不变(假设负载功率不变)，为此，在乘法器中，电网电流必须除以电网电压有效值的平方。加到8脚(VRMS)的电压正比于已整流电网电压的平均值(也正比于有效值)。该电压在芯片内平方后作为乘法器的除数。乘法器的输出电流IMO(5脚)与6脚的输入电流IAC和7脚(电压放大器输出)电压成正比，与8脚VRMS电压的平方成反比，即第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 当VRMS分别为1.5V、3V、4V和5V时，IMO与IAC和VVEA的关系曲线如图5-8所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-8乘法器输出电流IMO 与IAC 和VVEA 的关系第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 4)PWM频率设定 在该电路中，振荡器的工作频率为100kHz，该频率由14脚外接电容CT和12脚外接电阻RSET 决定。设计电路时，应首先确定RSET 。因此该电阻值影响乘法器的最大输出电流IUMLTmax ：RSET 选用15k电阻时，第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 设计电路时，乘法器最大输出电流决不能超过IAC 的两倍。 当乘法器输出端(5脚)到0.25取样电阻之间接入4k电阻时，电流取样电阻中的最大电流为： RSET 确定后，可根据所需的开关频率f，按下式计算定时电容CT的容量：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.3 零电压过渡零电压过渡(ZVT)单相有源单相有源功率因数校正电路功率因数校正电路 5.3.1功率因数校正(PFC)基本电路存在的缺点 功率因数校正(PFC)基本电路结构简单，容易实现，但由于开关器件工作在硬开关状态，开关浪涌电压很高。为了抑制开关浪涌电压，必须采用阻容吸收电路。由于开关管工作频率很高，阻容吸收电路功耗较大，因而效率降低了。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 另外，为了降低滤波电感的数值，减小电源的体积，开关频率一般高于50kHz，因此只能采用MOSFET作开关器件。在大功率校正电路中，必须采用MOSFET并联以提高电流容量，这样不仅增加了主电路的复杂性，而且还降低了可靠性。采用软开关技术，可以提高开关频率，降低开关损耗。 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.3.2零电压过渡(ZVT)有源功率因数校正电路基本原理 零电压过渡有源功率因数校正(ZVT-PFC)主电路如图5-9所示。在主开关管VT1 两端并联含有辅助开关VT2 的LC谐振电路，即可使主开关管VT1 和快速恢复二极管变为软开关。Lr为谐振电感，Cr为谐振电容，VD2 的作用是阻止辅助开关管的寄生电容与Lr产生谐振。该电路的工作波形如图5-10所示。 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-9ZTV-PFC主电路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-10ZVT-PFC电路工作波形第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 t0t1阶段：在t0以前，VT1 和VT2 均关断，VD导通。t1t2阶段：Lr、Cr谐振，Lr中的电流ir继续增大，Cr向Lr放电，直到其电压在t2时刻为零。 t2t3阶段：主开关内部反并联二极管导通，将其漏源电压VDS 箝位为零。 t3t4阶段：在t3时刻，VT2 关断，VT1 零电压开通。 t4t5阶段：VT1 导通。 t5t6阶段：在t5时刻，VT1 关断，VD导通，因Cr的存在，降低了主开关管VDS 的上升速度，减少了VT1 的关断损耗。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 该电路具有以下优点： (1)开关管和快恢复二极管均为软开关，降低了开关损耗和电磁干扰噪声。 (2)实现软开关并没有增加开关器件的电压、电流耐量。 (3)在很宽的电源和负载变化范围内均能维持软开关。 (4)不需要阻容吸收电路。 (5)恒频工作，容易实现电路的最佳设计。 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.3.3ZVT-PFC电路参数选择 1.主电路元件参数选择 在PFC电路中，主电路元件参数应根据输出功率确定。主电路元件的包含滤波电感L1、主开关管VT1 、快恢复整流二极管VD以及输出滤波电容C。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 1)滤波电感 滤波电感L1的作用在于限制输入电流的波动，保证升压电路工作于连续电流模式(CCM)。电感值的选择原则是电流波动的最大值Ipm 不超过峰值电流的10%20%。设输出功率为Po，输入电压的最小值为Umin (有效值)，则峰值电流Ipk 为第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 根据升压电路的工作原理，可得峰值电流时的占空比D为设开关周期为Ts，则电流波动为式中Ipm =(10%20%)Ipk 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 于是，可以得到：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2)输出滤波电容 输出滤波电容C的作用是抑制输出电压中的100Hz纹波电压。100Hz纹波电压通过反馈环节进入控制电路，使主路中电流的谐波含量增大，因此，必须将其抑制在允许的范围内。考虑到极限情况，当输入电压和电流均为最大值时，输出电压中100Hz纹波电压最大。因为PFC电路中电流接近正弦波，因此输入电流iim 和电压uim 表达式为 iim =Ipk sint uim =upk sint第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 此时，输入功率Pin 为设输入电流为io，则输出功率Po为设PFC电路的效率为，则有：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 io中的交流分量即为输出滤波电容的充放电电流ic，其值为：纹波电压的峰-峰值Upp 为式中Uppm 为允许的最大纹波电压峰-峰值。 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 输出滤波电容C的取值为第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 3)主开关管VT1 的选择 主开关管工作时所承受的电压为输出电压Uo，因此应根据Uo来选取主开关管的额定电压。 流入主开关管的最大电流为 IDm =Ipk +Ipm =(1.11.2)Ipk 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 4)快恢复整流二极管VD的选取 二极管VD所承受的电压为输出电压Uo。流过它的平均电流IVD 为：根据平均电流可以确定二极管VD的额定电流。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2.谐振电路元件选择 1)谐振电感Lr和谐振电容Cr选择 要实现主开关VT1 零电压开通，必须在VT1 内的反并联二极管导通之后才能给VT1 施加门极信号。为了实现ZVT，主开关VT1 必须比辅助开关VT2 延迟一段时间td开通，且td必须满足：tdt10 +t21 式中：t10电感电流从VD向VT2转换所需的时间，其值为： 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 t21 Cr的电压谐振为零时所需要的时间，其值为：Tr谐振周期 因此： 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2)辅助开关管VT2选择辅助开关管只在开关的过程中导通，导通时间很短，一般应根据电流有效值为选取电流容量。从ZVT电路的工作原理可知，在t0t3期间，辅助开关管导通。各阶段电流的表达式为：在t0t1期间：,其中第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 在t1t2期间：在t2t3期间：i32 =I2m ，导通时间t32 =td-t21 -t10 。因此，辅助开关管在一个开关周期内的最大电流有效值为： 辅助开关管的额定电压应根据输出电压Uo来选取。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 3)箝位二极管VD2的选择VD2只在t3t4期间导通，流过它的最大平均电流为第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.3.4ZVT-PFC控制电路在ZVT-PFC电路主开关管开通过程中，要同时控制主开关管和辅助开关管。辅助开关管先开通，待主开关管漏极电压降到零以后，再开通主开关管，同时关断辅助开关管。除了开通过程外，单相ZVT-PFC电路与硬开关PFC电路的工作原理相同。因此，AVT-PFC电路的控制器既可以采用专用ZVT-PFC控制器，也可以采用硬开关PFC控制器。不过，采用硬开关PFC控制器时要增加控制辅助开关管通断的驱动电路。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 1.UC3854构成的ZVT-PFC控制电路UC3854用于ZVT-PFC电路时，必须增加辅助开关管的驱动电路，如图5-11所示。该电路采用延时的方法来判断主开关管漏极电压是否降为零，即在辅助开关管开通以后，延时一段时间td，然后再开通主开关管，关断辅助开关管。td根据前面所介绍的公式确定。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-11UC3854构成的ZVT-PFC控制电路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2.UC3855构成的ZVT-PFC控制电路UC3855是一种单相ZVT-PFC专用控制器，内部包含ZVT-PFC所需的全部控制电路。UC3855仅适用于升压型变换电路。该控制器采用平均电流控制方式，不需要斜率补偿就能获得稳定的、低失真的交流输入电流。由于采用了ZVT技术，升压变换电路的开关频率可达500kHz。UC3855的内部框图如图5-12所示，UC3855的内部包含一个单象限乘法器、平方器和除法器电路，它可为电流环路提供编程信号，当电压较低时，限制内部乘法器的电流可使输出功率降低。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 此外，UC3855内部还包含电流放大器、电压放大器、振荡器、PWM比较器、具有滞后的欠压封锁电路、精度为1%的7.5V的基准电压源、输入电源电压箝位电路、启动比较器和过压比较器等电路。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-12UC3855的结构框图第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 UC3855有20个管脚，各管脚的功能如下：1脚CAO：宽带电流放大器的输出端，也是PWM比较器的一个输入端。2脚RVS：加到VSENSE脚的输出电压取样信号经缓冲后传输到RVS。3脚CI：电流取样信号加到该脚和GND间的电容上。4脚ION：该脚是电流取样输入端，应接在电流取样互感器的次级。5脚CS：CS和电流放大器反相输入端之间接入电流放大器输入电阻。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 6脚Vms：该脚是乘法器的正反馈电源电压补偿端。7脚OVP/ENA：该脚通过分压器取样升压变换器输出电压。8脚REF：精密基准电压源的输出脚。9脚VCC：电源电压。该脚与地之间应接入一个1F的低ESL低ESR陶瓷电容器。10脚GTOUT：该脚输出峰值为1.5A的推拉电流，驱动外接的MOSFET。11脚GND：接地脚。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 12脚ZVTOUT：此脚可输出750mA的峰值电流以驱动外接的MOSFET。13脚ZVS：当主开关管漏极电压达到0V，该脚通过ZVT比较器检测漏极电压并复位ZVT锁存器。14脚CT：接在CT脚和GND脚之间的电容CT决定PWM振荡器的频率f，f与CT之间的关系为f1/(11200CT)。15脚VAOUT：电压放大器的输出端。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 16脚VSENSE：该脚是电压放大器的反向输入端，也是PFC升压变换器输出电压反馈点。17脚SS：软启动端。 18脚IMO：该脚为乘法器的输出端和电流放大器的同相输入端。19脚IAC：输入该脚的电流应与经整流的瞬时电源电压成正比。 20脚CA-：电流放大器的反相输入端。该脚和CAOUT脚之间应接入电容补偿网络。该脚输入电压范围是-0.35V。 由UC3855构成的230WZVT-PFC实用电路如图5-13所示。 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-13230WZVT-PFC实用电路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 3.ML4822构成的ZVT-PFC控制电路1)主要特点ML4822功率因数校正(PFC)控制器，主要用于大功率开关电源中。该控制器具有平均电流型升压变换器所需的全部控制功能。由于采用了零电压转换(ZVT)技术，大大减少了升压二极管的反向恢复损耗和主开关MOSFET的导通损耗，与普通功率因数校正(PFC)电路相比，效率有较大提高，如图5-14所示，电磁干扰也大大减弱。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图514普通PFC电路与ZVT-PFC电路效率比较第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 零电压转换(ZVT)控制部分驱动外接的功率开关MOSFET。该器件与升压二极管和外接功率MOSFET组成软开关升压变换器。 该控制器有以下特点： (1)平均电流取样，连续升压，前沿脉宽调制功率因数校正，总谐波失真小，功率因数接近于1。 (2)采用快速响应的零电压开关控制技术，可大大提高大功率电源的效率。 (3)具有低压控制和平均市电电压补偿。 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 (4)电流反馈乘法器可以提高抗干扰性，并且交流输出电压范围很宽，110V和220V交流市电都可直接加入。 (5)过压比较器可消除因负载中断而使输出电压失控。 (6)欠压封锁、限流，软启动。 (7)精度为1%的基准电压。 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2)内部框图ML4822内部结构如图5-15所示。它由电压误差放大器VEA、电流误差放大器IEA、过压保护比较器OVP、限流比较器ILIMIT、零电压开关触发器、功率因数校正触发器、零电压开关输出级和功率因数校正输出级等部分组成。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-15ML4822内部框图第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-16ML4822管脚排列第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 3)管脚功能ML4822采用14脚DIP封装和16脚SOIC封装，管脚排列如图5-16所示，各脚的功能如下：1脚VEAO：电压误差放大器输出。2脚IEAO：电流误差放大器输出。3脚ISNEE：功率因数校正限流比较器的取样电流输入。4脚IAC：功率因数校正乘法器输入基准信号。5脚VRMS：市电有效值电压补偿输入。6脚RTCT：外接振荡频率设定元件。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 7脚ZVSENSE：高速零电压交越比较器输入。8脚GND：模拟信号地。9脚PWRGND：PFC和ZVS驱动器各输出的返回端。10脚ZVSOUT：ZVS驱动器输出。11脚PFCOUT：PFC驱动器输出。12脚VCC：电源电压。13脚REF：内部7.5V基准电压缓冲输出。14脚FB：电压误差放大器输出。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 4.主要参数ML4822的主要参数如下：电源电流(ICC)：55mA峰值驱动电流：500mA所有模拟输入电压：-0.3V7V结温：150存贮温度范围-65150焊接温度(焊接时间10s)150热阻(jA)第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 DIP塑封80/WSOIC塑封110/W工作温度范围：ML4822CX070ML4822IC-4085第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.应用电路由ML4822组成的ZVT-PFC升压变压器实际电路如图5-17所示。VT1、L1和VD1构成PFC主回路，VT1由ML4822的PFCOUT脚输出信号控制。VT2、电感L1和VT1 的体电容与VD1 的结电容组成ZVS。 VT2 由ML4822的ZVSOUT脚输出信号控制。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-17ML4822组成的ZVT-PFC实际电路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.4 谐振型三相有源功率因数校正电路谐振型三相有源功率因数校正电路 5.4.1三相单开关有源功率因数校正电路工作原理目前三相有源功率因数校正(APFC)技术仍然处于研究开发阶段，国际上还没有成熟的产品。近年来，国际上制订了各种标准，对电源装置的谐波及功率因数进行严格限制。由于三相APFC具有巨大的市场，因此，国内外许多单位都积极研究了三相APFC，研究成果大量出现，从而推动了三相APFC技术的发展。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 目前，三相有源功率因数校正的方法有以下几种：(1)三相PWM的APFC技术。其优点是既能获得接近正弦波的输入电流和接近1的功率因数，又能实现能量的双向传送。(2)采用三个单相APFC电路。其优点是每相单独控制，能获得接近正弦波的三相输入电流，功率因数接近1。(3)采用单开关APFC电路。由升压电路构成的三相单开关APFC电路如图5-18所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-18三相单开关PFC电路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.4.2三相单开关ZCT-APFC电路工作原理1.基本工作原理三相单开关ZCT-APFC电路原理图如图5-19所示。主开关管VT1为零电流转换开关(即ZCT开关)。ZCT开关是由VT2、VD3、Lr、Cr组成的辅助电路完成的。其主电路工作情况与图5-18电路相同，仅在开关V1换向瞬间有少许变化。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-19三相单开关ZCT-APFC电路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 设输入电压为三相对称且无失真的正弦波，即ua=Umcost ub=Umcos(t-2/3) uc=Umcos(t+2/3) t在0，/6内，ua0、ucub0，因而整流桥中只有VD4 、VD8 及VD9 导通。同时假定VT1 的开关频率远高于工频，因而在VT1 的一个开关周期Ts内，可认为输入电压恒定不变。在一个开关周期内，零电流转换的工作波形如图5-20(a)，输入电流的波形如图5-20(b)所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-20单开关ZCT-APFC电路工作波形(a)零电流转换电路的工作波形；(b)输入电流波形第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2.参数设计三相单天关ZCT-APFC电路设计中，必须兼顾以下因素：电压增益、输入电流畸变、开关频率、体积、效率及价格等，这些因素相互影响需要折中决定。1)确定电压增益输入电流中的高次谐波分量依赖于校正电路的电压增益A和采用的控制方式。电压增益为：式中，Uo校正电路的输出电压第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-21THD与电压增益的关系第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 Upm输入相电压的峰值如果输入电流的高次谐波含量按谐波总畸变率(THD)确定，并采用恒定频率、恒定导通时间控制，则电压增益可按图5-21的曲线确定。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2)开关频率的选择选择开关频率应兼顾体积与效率。为缩小输入滤波器的体积，开关频率应尽可能高些，然而开关频率过高必然导致效率降低。通常，采用IGBT的工作频率可达50kHz，采用MOSFET时，工作频率可高于200kHz。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 3)输入电感L选择输入电感L的选择非常重要，如果电感量选得太大，则电流连续，达不到功率因数校正的目的；相反，如果电感量选得太小，输入电流峰值过大，使开关器件承受的电流过大。电感量L与输出功率Po、输入电压Upm、电压增益A和开关周期Ts等因数有关，已知，通过便可确定电感L的数值。图5-22给出了与电压增益A的关系曲线。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-22输入电感L与电压增益A的关系第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 4)开关器件的选择 流过开关管VT1 的平均电流I1可由ia在t0t4间的平均电流得到。由于在零电流转换电路中，开通瞬间IGBT的峰值电流可达平均电流的5倍以上，所以器件的额定电流应比计算值大30%。VT1 承受的电压等于Uo。由于是硬开通，VT1 漏源极电容应尽可能小。 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 辅助开关VT2 要流过峰值谐振电流，因而应具有较高的电流承受能力，但因其导通时间较短，电流有效值较小，因此VT2 可选额定电流为VT1 的平均电流的30%的MOSFET，VT2 承受电压亦为输出电压。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5)谐振元件选择 选择谐振元件时，必须保证谐振电流峰值Uo/Zc(其中Zc是谐振电路的特性阻抗)高于最大输入电流值，以实现零电流转换。因此谐振元件应满足：式中Tonmax 为最大导通时间，其值由下式确定：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 由于开关器件存在导通电阻，VT1 导通时谐振电流峰值有所衰减，所以Zc最好为上述计算值的60%70%。谐振频率不宜过高，以保证有足够的时间使主开关完全关断，避免因谐振电流上升速度过快而造成二极管反向恢复问题。通常谐振频率约为开关频率的710倍，即第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 6)输出电容选择 输出电容的选择取决于对高频纹波、300Hz纹波、控制方式以及对电荷存贮能力的要求等。该电路采用的恒频、恒导通时间控制，为滤除300Hz纹波，C的数值应大一些，这样还可提高输出电压的保持能力。 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.5 PWM型直流变换器型直流变换器 直流变换器是开关稳压电源的核心，它的主要作用是把工频整流电路或功率因数校正电路输出的直流电压变换为通信设备或其他电子设备所需的直流电压。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 常用的直流变换器根据工作原理可分为PWM型变换器和谐振型变换器，根据电路结构可分为单端直流变换器、推挽式变换器和桥式变换器等。单端直流变换器通常又分为单端反激式直流变换器和单端正激式直流变换器，桥式变换器通常也分为半桥式变换器和全桥式变换器。 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.5.1PWM型直流变换器基本电路 1.单端直流变换器 1)单端反激直流变换器 单端反激直流变换器如图5-23(a)所示。它由晶体管VT、变压器T、整流管VD、滤波电容Co和负载电阻RL组成。在该电路中，变压器初级线圈和次级线圈的极性如图所示，晶体管导通时，整流管VD截止，所以称为反激式变换器。 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 晶体管的外加基极电压Ub的波形如图5-23(b)所示。在t1t2之间，晶体管VT因承受足够高的正向偏压而饱和导通，VT的饱和压降Uce 约为1V，输入电压Uin 基本上等于Np两端的电压Up。根据电工原理可知：式中，Lp为Np的电感，ic为晶体管的集电极电流(也即Np中的电流)。从上式可得：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 式中，Ico 为Np中的初始电流，通常可忽略，因此第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-23单端反激式变换器基本电路和工作波形第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 由该式可以看出，VT导通期间，Np中的电流ic上线性上升的，ic的波形如图5-23(b)所示。当t=t2时，初级线圈中的电流达到最大值Ipmax =(Uin /Lp)ton ，电源Uin 输出的能量储存在输出变压器中，其值为：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 设输出变压器次级电感量为Is，变压器效率为100%，则变压器中储藏的能量为：设Np/Ns=n,则Ls/Lp=1/n2式中Us为输出变压器次级绕组的电压。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2)单端正激直流变换器 单端正激直流变换器基本电路如图5-24(a)所示。在该电路中，当外加基极电压Ub使晶体管VT饱和导通时，晶体管的压降Uce 很低，电源电压Uin 加到Np两端。根据变压器初级和次级线圈的极性可知，二极管VD与晶体管VT同时导通，电源Uin 输出的能量部分储存在变压器中，大部分通过变压器和整流管VD传输到负载。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 由图可知，输出变压器次级电路与降压型变换器电路电似。若忽略晶体管饱和导通时的管压降以及变压器的损耗，晶体管导通时，变压器T次级绕组的电压Us为：输出电压Uo为：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 式中，ton 为晶体管导通时间，=ton /T为占空比。该电路与降压型变换器的不同点在于：外加基极电压使晶体管VT截止时，初级线圈Np中的储能只能通过容量很小的线圈分布电容释放，因此，Np两端将产生很高的电压。该电压与电源电压叠加后加到VT两端。为了避免晶体管因承受过高的电压而损坏，可在Np两端并联VD2 和R串联电路。这样，当VT截止时，VD2 导通，电感储能通过VD2 、R串联电路释放。此外，也可在Np两端并联一个电容器C，这样相当于加大了线圈的分布电容，因此电感中的储能可以通过较大的电容释放，Np两端电压不会很高。最常用的电感储能释放回路如图5-24(b)所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-24单端正激变换器基本电路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 在单端正激变换器基本电路中，功率开关管承受的电压较高。为了降低功率开关管承受的电压，可采用双管单端正激变换器，如图5-25所示。双路单端正激变换器如图5-26所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-25双管单端正激变换器并联电路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-26双路单端正激变换器第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2.推挽式直流变换器 推挽式直流变换器基本电路如图5-27(a)所示。它由开关晶体管VT1 、VT2 变压器T等元件组成。图5-27(b)所示的方波电压Ub1 和Ub2 交替加到VT1 和VT2 的基极，使VT1 和VT2 交替饱和导通和截止。VT1 和VT2 集电极电压(Uce1 、Uce2 )和电流(ic1、ic2 )波形如图5-27(b)所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-27推挽式直流变换器基本电路和工作波形第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 该电路输出电压Uo的表达式为：由于推挽式变换器的输出电路采用全波整流电路，所以式中T应为工作周期的一半。将T=T/2代入上式可得：设占空比=ton /(T/2)，则第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 3.桥式直流变换器1)全桥直流变换器全桥直流变换器如图5-28所示。方波驱动信号交替加到晶体管VT1、VT2或VT3、VT4的基级。在前半周期内，VT1和VT2导通，电流从Uin正端流出，经过VT1、Np和VT2返回到Uin的负端。在后半周期，VT3和VT4导通，电流流过VT4、Np和VT3。由于前半周和后半周内，电流流过初级线圈的方向不同，所以变压器次级即可得到交流方波电压。方波电压经整流后变为直流电压。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-28全桥直流变换器基本电路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2)半桥式直流变换器 用两只电容器C1和C2代替全桥式变换器中的两只晶体管，即可得到半桥式直流变换器，如图5-29所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-29半桥直流变换器基本电路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 C1和C2的容量可根据变压器初级电流Ip和工作频率计算。设半桥变换器总输出功率为Po(其中包括变压器的损耗)，则变压器初级电流为：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 设工作频率为f,则半个周期为T/2=1/2f。变压器初级线圈的电流可视为由电容C1和C2并联供给的。当此电流为Ip时，端电压变化量U应为：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 式中Ct为C1、C2的并联电容量，即Ct=C1+C2=2C。t为半个周期1/2f。Ip为变压器的初级电流(2Po/Uin )。半个周期中，电容器端电压的变化量应为：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 由于电容器端电压变化的百分数与变换器输出电压变化的百分数相同，所以，输出波纹电压(百分数)Ur可由下式给出：当给定输出波纹电压百分数Ur时，C的容量为：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 半桥变换器比桥式变换器少用两只晶体管，因而驱动电路也比较简单。全桥和半桥变换器的可靠性较低，因而，近年来，在PWM型变换器中采用得越来越少。影响全桥和半桥变换器可靠性的主要原因有：(1)在不可预见的干扰下，桥臂上、下两只开关管会产生直通短路，从而损坏开关管。(2)当某一个功率开关的驱动脉冲丢失时，变压器初级将因偏磁而饱和。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 (3)两路驱动脉冲的宽度不一致时，也会导致变压器初级因偏磁而饱和。 以上因素将导致功率开关管不明原因的损坏，正激变换器可以完全避免以上三种因素的影响，因而可靠性极高，近年来，在通信开关电源中越来越多地被采用。对于大功率开关电源来说，可以采用双正激变换器。 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.5.2电流型PWM集成控制器UC3842/3/4/5应用1.PWM控制器基本工作原理随着微电子技术的发展，各种各样的PWM型直流变换器集成控制器不断出现，因此开关稳压电源的元器件数量大幅度地减少。这不但使开关稳压电源的可靠性提高，而且还能简化开关稳压电源的设计计算，使开关稳压电源更便于生产和维护。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 PWM集成控制器通常分为电压型控制器和电流型控制器两种。电压型控制器只有电压反馈控制，可满足稳定输出电压的要求，电流型控制器增加了电流反馈控制，除了稳定输出电压外，还有以下优点：(1)当流过开关管的电流达到给定值时，开关管自动关断，因此可实现逐周限流。(2)自动消除工频输入电压经整流后的纹波电压，在开关电源输出端，300Hz以下的纹波电压很低，因此可减小输出滤波电容的容量。(3)多台开关电源并联工作时，PWM开关控制器具有内在的均流能力。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-30PWM集成控制器的组成和波形第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 (4)具有更快的负载动态响应。常用的脉宽调制(PWM)型集成控制器由图5-30所示的几个部分组成。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2.UC3842/3/4/5的基本组成UC3842/3/4/5系列电流型PWM控制器内部包括带滞后的欠压封锁电路(UVLO)、振荡器(OSC)、误差放大器、电流取样比较器、PWM锁存器和推拉输出电路等，如图5-31所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-31UC3842/3/4/5内部结构框图第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 3.引脚排列及功能该系列IC采用DIL-8脚、SOIC-8脚、SOIC-14脚及PLCC-20脚多种封装形式。 最常用的是DIL-8脚、SOIC-8脚和SOIC-14脚封装，该封装形式的引脚排列如图5-32所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-32UC3842/3/4/5引脚排列第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 八脚封装的各引脚功能如下：1脚COMP：误差放大器补偿脚。该脚与误差放大器反相输入端VFB之间应接入RC补偿网路，以改善误差放大器的性能。2脚VFB：误差放大器反相输入脚。反馈电压接入该脚，与误差放大器同相输入端的基准电压比较，以便设定误差电压。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 3脚ISENSE：电流取样比较器同相输入端。电流取样电阻两端的压降加到该脚，与加到该放大器反相输入端的误差电压(最大值为1V)比较，确定输出驱动脉冲的占空比。4脚RT/CT：外接振荡器定时电阻RT和定时电容CT。该脚与基准电压输出脚VREF之间接入RT。该脚与接地脚之间接入CT。5脚GROUND：接地脚。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 6脚OUTPUT：输出脚。该脚输出的低电平为1.5V，输出灌电流(平均值)为200mA。输出的高电平为13.5V，输出源电流(平均值)为200mA，输出峰值电流可达1A。7脚VCC：电源电压。该系列IC的输入电源电压可达30V。8脚VREF：基准电压输出端。该脚输出电压为5V，输出电流可达5mA。该基准电压可为外部电路供电。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 4.基本工作原理 1)欠压封锁电路 欠压封锁电路可以确保该系列IC具有适当的工作电压。带滞后的欠压封锁电路及工作特性如图5-33所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-33欠压封锁电路及其工作特性第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2)振荡器 振荡器外部RT、CT的接法及RT、CT选择曲线如图5-34所示。8脚的5V基准电压源通过定时电阻RT对定时电容CT充电。电容C通过器件内部的电流源放电。 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-34RT、CT的接法及选择曲线第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 选择振荡元件RT、CT时，应首先确定PWM控制器所需的死区时间td，在最佳工作状态下，td应为振荡周期的15%。 死区时间td与定时电容CT的关系如图5-35(b)所示。死区时间确定后，即可根据该曲线选择定时电容CT的容量。根据选定的定时电容的容量和振荡频率，即可根据图5-35(c)选择定时电阻的阻值。定时电阻RT也可根据下式计算：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 在UC3844和UC3845中，振荡器输出信号驱动双稳态多谐振荡器，从而输出双路驱动信号，输出脉冲最大占空比为50%，因此振荡器的振荡频率应为所需开关频率的两倍。 UC3842和UC3843最大占空比为100%，振荡频率与开关电源的工作频率相同。应当说明，该系列IC的最高振荡频率为500kHz。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 在实际应用中，最大占空比Dmax 应由下式计算：Dmax =1-(td/TOSC )(UC3842和UC3843) Dmax =1-(td/2TOSC )(UC3842和UC3843)式中，td为死区时间，TOSC 为振荡周期。 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 3)电流取样与限流 电流取样电路如图5-35所示。在正常工作情况下，电流取样电阻RS两端的峰值电压，由误差放大器的输出电压VC控制。流过RS的峰值电流为：式中，VC为控制电压，也即误差放大器的输出电压。 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-35电流取样电路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 为了减小电流取样电阻RS的功耗，也可采用电流互感器取样电路。在该电路中，控制电压VC与开关电源功率级峰值电流iPK 的关系为：式中，N为电流互感器的匝数比，不用电流互感器时N=1。 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 进行小信号分析时，控制电压与取样电流之比为：电流取样互感器与功率晶体管串联时，电流波形的前沿将出现较大的尖峰，这是因整流管恢复和电源变压器线间电容造成的。为了消除该尖峰，应当接入简单的RC滤波电路。RC时间常数应接近电流尖峰的持续时间。 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 电流取样放大器反相输入端的电压通常箝位在1V。该放大器的同相输入端(即电流取样输入端ISENSE )的电压达到该门限值时，开关电源将产生限流作用。开关电源变压器初级最大电流imax 由下式计算：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 4)误差放大器 误差放大器基本电路如图5-36所示。该放大器的同相输入端没有引出脚。在器件内部，该脚接有2.5V2%的基准电压。该放大器的输出端(1脚)与反相输入端(2脚)之间接有补偿网络，以便控制闭环频率响应。反馈补偿网络在回路传输特性的 处将产生一个极点。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图536误差放大器基本电路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 选择适当数值的RF和CF，该级点可以消除功率电路中滤波电容器等效串联电阻产生的零点，RI和RF固定低频增益。加入补偿网路，可以改善放大器的动态响应，从而提高开关电源的稳定性。 误差放大器输出电流为0.5mA，灌电流为2mA。RF的最小值由下式给出：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 误差放大器输出偏置电流(最大2A)流过电阻Ri。该电流引起的输出电压(Vo)误差由下式给出：Vo(max) =2ARi为了减小输出电压的误差，电阻Ri的阻值应尽可能小一些。 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5)推拉输出级该系列IC的推拉输出级驱动MOSFET时，峰值电流可达1A。驱动双极型功率晶体管时，平均电流可达200mA。器件内部输出晶体管之间交越导通很小。输入电压为30V，工作频率为200kHz时，平均附加功耗只有80mV。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-37外接驱动电路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.实际应用电路由UC3844组成的25W离线式开关稳压器实际电路如图5-38所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-3825W离线式开关稳压器实际电路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 1)基本工作原理 交流输入电压经整流桥整流后变为直流电。该电压经电阻R2对电容C2充电，C2两端电压UC2 逐渐上升。当UC2 达到启动门限电压(16V)后，UC3844开始工作。变压器T1辅助线圈NC两端电压经整流滤波及R3和R4分压后，从2脚送入误差放大器的反相输入端。反馈电压与基准电压经误差放大器比较放大后，调制UC3844输出脉冲的宽度，从而稳定输出电压。 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2)主要技术指标 交流输入电压范围：190260V(有效值) 开关频率：40kHz 效率(满载)：70% 输出电压：A组+5V5%14A 峰峰值纹波电压50mW B组+12V3%0.10.3A 峰峰值纹波电压100mV C组-12V3%0.10.3A 峰峰值纹波电压100mV 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.5.3电压型BiCMOSPWM控制器IC35C25应用1.主要特点TC35C25系列PWM控制器采用CMOS工艺制作，它可以取代3525电压型开关电源控制器。这种新型CMOS器件与以前的CMOS或双极型器件相比，功耗大大降低。并且，控制器的输出电路和控制电路有独立的电源脚VIN和VDD，这样便于自举工作。每路CMOS输出电压在25mV以内。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 此外，还有一些性能有所改进。如滞后更加可靠，在工作温度范围内欠压启动值更加准确，另外，各输入端的输入偏置电流都很小。TC35C25系列PWM控制器的功能方框图如图5-39所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-39TC35C25内部功能框图第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 此外，还有一些性能有所改进。如滞后更加可靠，在工作温度范围内欠压启动值更加准确，另外，各输入端的输入偏置电流都很小。TC35C25系列PWM控制器的功能方框图如图5-39所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 TC35C25的特点如下：代功耗的BiCMOS结构电源电流小在20kHz时电源电流值为1.0mA封锁抗干扰性输出处大于500mA低轨输入保护-5V输出驱动电流大峰值为500mA脉冲上升下降时间短50ns1000pF工作频率高可达1MHz第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 三态同步脚便于并联工作 欠压滞后关断 具有关闭管脚 两路输出 软启动(外接容量很小的电容) 关闭输出的延迟时间很短140ns 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2.引脚排列及功能BiCMOS电压型PWM控制器的引脚排列及功能与常用双极型PWM控制器完全相同。DIL-16脚封装的引脚排列如图5-40所示。引脚功能如表5-1所列。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图540TC35C25引脚排列第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 表51TC35C25引脚功能第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 3.TC35C25的绝对最大参数电源电压：18V最大芯片温度：150储存温度：-65+150焊接温度(10s)：300封装热阻：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 CerDIPPQJ-A150/WCerDIPRQJ-C55/WPDIPRQJ-A125/WPDIPRQJ-C45/WSOICRQJ-A250/WSOICRQJ-A75/W工作温度：TC15C25-55TA+125TC25C25-40TA+85TC35C250TA+70第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 4.基本工作原理1)输出部分TC35C25输出级由两对推挽工作的互补CMOS驱动器组成。每个输出端都可以输出(流入或流出)500mA的峰值电流。输出级还可以吸收较大的反冲电流。2)软启动软启动时间可通过改变接在软启动脚(脚8)与接地端之间电容器的容量来选择。 软启动时间可按60ms/F来计算。在欠压封锁、接通电源或关断电源后，以及开关电源开始工作前，都有软启动过程发生。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 3)关断TC35C25电压型PWM控制器具有最小延时，非锁定关断性能。在关断脚(脚10)加入一个正向电压，两个输出都截止。典型的关断门限值为2.4V。将关断脚接地时，开关电源又将开始软启动过程。4)振荡器 振荡器电路及有关波形如图5-41所示。 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-41振荡电路及有关波形第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 振荡器的振荡频率为： 式中，TCHG 为CT的充电时间。CT充电时，PWM控制器一个输出驱动器导通。TD是两个输出驱动器均无输出的死区时间。电阻RT决定电容CT的充电电流。 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 选择振荡频率f0时，首先应确定要求的死区时间TD，然后计算电容器CT的充电时间TCHG 。电容CT的容量应在1001000pF之间选择。电容充电电流ICHG 可由下式求出：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 在以上各式中，CT的单位为F，TCHG 的单位为s，ICHG 的单位为A，RT的单位为：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 电阻RD控制死区时间TD。在死区时间内，该电阻上的电流是CT的放电电流和充电电流ICHG 之和。RD阻值的范围为1900。RD增大，死区时间增加。 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 为了使多个控制器以“主从”状态运行，可把定时电阻脚(RT脚6)接到VREF，从而使同步脚(SYNC,管脚3)处于高阻状态。这样，该芯片就可以由一个外部电源进行时控。TC35C25的振荡器输出(OSCOUT，管脚4)可以驱动以此方式组合的几个TC35C25的同步输入端。为了实现两个TC35C25的同步，一个PWM控制器可作为主振荡器，另一个作为从振荡器，如图5-42所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-42振荡器同步电路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 在从振荡器中接入单独的RC定时电路，也可实现两个PWM控制器同步，如图所示。此时从振荡器的频率应略低于主振荡器。应当注意，采用这种同步方法时，由于同步输入端不处于高阻抗状态，所以对从振荡器的数目有一定的限制。这一同步方法通常是在从振荡器处于不同位置时采用。当从振荡器采用单独的RC定时器时，振荡器接地回路的噪声干扰将大大减小。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5)欠压锁定部分 该系列PWM控制器的典型工作导通门限电压为9.2V。当电源电压超过9.2V时，该控制器正常工作；当15脚的电源电压降至7V以下时，加到11和14脚的两路输出驱动器均截止。具有滞后作用的久压封锁电路及相关波形如图5-43所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-43欠压封锁电路及有关波形第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.应用电路及工作波形 该控制器的典型应用电路及各点波形如图5-44所示。5k电位器在2脚设定一个基准电压。当5脚的斜波电压升至该基准电压时，输出驱动脉冲。改变接5脚和7脚的放电电阻可改变死区时间。增大放电电阻即可增长死区时间。 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-44TC35C25应用电路及各点波形第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.6 谐振型直流变换器谐振型直流变换器 5.6.1PWM型直流变换器存在的主要问题及解决办法(1)频率升高后，开关损耗增加，效率降低。 在PWM型直流变换器中，功率开关管MOSFET加入栅极驱动信号UGS后，开关管中的电流IDS逐渐上升，同时开关管两端电压UDS逐渐下降到零。栅极驱动信号UGS消失后，开关管中的电流IDS逐渐下降到零，开关管两端电压UDS逐渐上升，如图5-45所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-45开关过程中的损耗功率第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 功率MOSFET饱和导通过程中，由于MOSFET存在一定的内阻RDS(on)，电流流过MOSFET时，导通电阻也将产生一定的功耗，这种功耗通常称为导通损耗。开通损耗功率Pon可由下式计算：假定在开通和关断过程中，功率开关管承受的电压和电流线性变化，开关管在关断时间的损耗功率Poff可由下式计算：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 式中，Ip为关断过程中流过功率开关管的最大电流，Up为关断过程中开关管承受的最高电压，toff为判断时间，f为工作频率。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 同样，功率开关管在开通过程中的损耗(开通损耗)Pon也可用开通过程中开关管承受的电压、电流、开通时间和工作频率来计算，即第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 众所周知，功率MOSFET的漏源极之间具有较大的寄生电容CDS，该电容充电和放电时，也将产生损耗，这种损耗通常称为电容充放电损耗。功率MOSFET漏源极寄生电容CDS充放电产生的功耗，可由下式计算：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 (2)频率升高后，变换器电路中的寄生电感和电容将产生很大的尖峰电压和浪涌电流，还可能产生较强的电磁干扰。变换器电路中的寄生电感包括引线的电感和高频变压器的漏感Lr，寄生电容主要是功率开关管的结电容C。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 开关管VT关断瞬间，流过变压器初级绕组的电流(包括流过漏电感的电流)迅速降低，电流变化率di/dt很大，因此，开关管VT两端将产生很高的尖峰电压(Ldi/dt)，如图5-46所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-46开关管关断和导通时产生的尖峰电压和浪涌电流第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-47零电压开通和零电流关断第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-48变换器效率、功率密度与开关频率的关系第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.6.2谐振开关基本原理在PWM变换器中，接入电感和电容组成的谐振电路后，流经功率开关管的电流或加在功率开关管两端的电压的波形就变为部分正弦波。带有电感和电容组成的谐振电路的功率开关通常称为谐振开关(软开关)。根据电压和电流的波形，谐振开关通常可分为：零电压谐振开关(ZVS)、零电流谐振开关(ZCS)和多谐振开关等。1.零电流谐振开关零电流谐振开关(ZCS)的基本电流如图5-49所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-49零电流开关的基本电路和工作波形第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2.零电压谐振开关零电压谐振开关(ZVS)基本电路如图5-50所示。谐振电容Cr与功率开关管VT并联。开关管关断时，在外电源作用下，Lr和Cr发生谐振，开关管VT两端的电压(即谐振电容两端的电压)UDS从零按正弦规律上升，达到峰值后，又按正弦规律下降到零。此后开关管导通。开关再断开时，上述过程重复。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-50零电压开关(ZVS)的基本电路及工作波形第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 3.多谐振开关在零电压开关变换器中，续流二极管关断时，它的寄生电容将与谐振电感产生谐振。该振荡将影响系统的稳定性。若加入阻尼电路，变换器的效率将降低。为了这克服这个缺点，可采用多谐振开关(MRC)，如图5-51所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-51多谐振开关基本电路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 4.零电压开关与零电流开关比较1)主要特点比较零电压开关与零电流开关的特点如表5-2所列。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 表5-2零电压开关和零电流开关特点对比第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2)工作频率与效率的比较PWM硬开关、零电压开关(ZVS)、零电流开关(ZCS)和多谐振开关(MRC)的工作频率与效率关系如图5-52所示。可以看出，为了保证较高的效率，PWM开关的工作频率低于100kHz，零电流开关(ZCS)的工作频率可达12MHz，零电压开关(ZVS)的工作频率可达10MHz，多谐振开关(MRC)的工作频率可达几十兆赫。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-52PWM开关、ZVS、ZCS和MRC的工作频率与效率的关系第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.6.3准谐振直流变换器在PWM变换器中，将功率开关管换成谐振开关，即可构成谐振变换器。在真正的谐振变换器中，电压和电流的波形应为连续的正弦波。在开关型稳压电源中，谐振开关不是工作于连续谐振状态，工作波形只是正弦波的一部分，因此，这种变换器通常称为准谐振变换器。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 1.零电压开关准谐振单端正激变换器零电压开关准谐振单端正激变换器原理电路如图5-53(a)所示。可以看出，在功率开关管VT1两端并联一只谐振电容Cr，并且使高频高压器Tr1的磁化电感和漏感等于所需的谐振电感Lr，普通的PWM型单端正激变换器即变为零电压开关准谐振单端正激变换器，该变换器的工作波形如图5-53(b)所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-53零电压开关单端正激变换器第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 在采用变压器隔离的变换器中设计电路参数时，应首先通过变压器的匝比，把次级输出电压Uo和输出电流Io变换到初级。变压器Tr1的初级电流Io、初级电压Uo和初级阻抗Zo分别为：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 为了满足谐振条件IrIo，谐振电流Ir和谐振回路阻抗Zr应为：因此，谐振电感Lr的计算公式应为：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 应当说明，计算出的谐振电感量不包括变压器的漏感和线圈的分布电感。谐振电容Cr可按下式计算：应当说明，计算出的谐振电容量不包括MOSFET的输出电容等。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2.零电流开关准谐振半桥变换器采用次级谐振的零电流开关半桥变换器基本电路如图5-54(a)所示。VT1、VT2、C1和C2组成半桥变换电路。Lr1、Lr1和Cr组成次级谐振电路。L0、Co和VD0组成输出滤波电路。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-54零电流开关准谐振半桥变换器第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 在次级谐振电路中，Zr=Lr，Uin=Usec。因此，谐振电感Lr和谐振电容Cr可由下式计算：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 3.零电压开关准谐振半桥变换器零电压开关准谐振半桥变换器原理电路如图5-55(a)所示。在该电路中，功率开关管VT1导通时，变压器初级绕组接在电容C2两端，功率开关管VT2导通时，变压器初级绕组在电容C1两端，因此加到变压器初级绕组两端的电压为输入电压Uin的一半。在该电路中，谐振电容Cr由两只电容组成，一只并联在功率开关管VT1两端，另一只并联在VT2两端。虽然，谐振电感Lr保持不变，但必须考虑电路中所有的串联电感和变压器绕组的分布电感。零电压开关准谐振半桥变换器的工作波形如图5-55(b)所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-55零电压开关准谐振半桥变换器第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 从工作波形可以看出，功率开关管关断时，Lr和Cr回路产生谐振，但是功率开关管两端的电压波形并不是正弦波，而是被削波的正弦波，这主要是由于MOSFET的体二极管箝位作用造成的。考虑到MOSFET的体二极管的影响，零电压准谐振半桥变换器的主要电路如图5-56(a)所示。VD1为VT1(MOSFET)的体二极管，VD2为VT2(MOSFET)的体二极管，VD1和VD2也可为外接二极管。功率开关管VT2关断时，Lr和Cr/2发生谐振，VT2两端电压UDS2将按正弦规律上升，当UDS(也就是谐振电容两端电压Ucr)超过输入电压Uin时，VT1中的体二极管VD1因承受正向电压而导通，因此，UDS2被VD1箝位到Uin如图5-56(b)所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-56MOSFET体二极管的箝位作用第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 4.零电压开关准谐振全桥变换器零电压开关准谐振全桥变换器的原理电路和工作波形如图5-57所示。在该电路中，谐振电容分别并联在四只开关管两端，在谐振状态下，谐振电容两端的电压(即功率MOSFET承受的反向电压)有可能超过电源输入电压Uin。但是，通过MOSFET的体二极管或外接的二极管，可以将谐振电容两端的电压箝位在输入电压Uin。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图557零电压开关准谐振全桥变换器第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.6.4相移全桥零电压开关PWM直流变换器相移全桥零电压开关PWM变换器也称为相移谐振变换器。它是一种将谐振技术与PWM控制技术相结合的新型变换器。在该变换器中，谐振过程只发生在PWM脉冲的边缘，因此也称为边缘谐振变换器。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 1.基本工作原理移相全桥ZVS-PWM变换器与普通全桥PWM变换器比较移相全桥零电压开关PWM变换器的基本电路和驱动电压波形如图5-58(a)所示。与传统的全桥PWM变换器(图5-58(b)所示)相比，移相全桥PWM变换器的变压器初级串联了谐振电感Lr，并且每个开关管两端都并联了谐振电容Cr，但不再并联电阻电容吸收电路。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图558移相全桥ZVS-PWM变换器与普通全桥PWM变换器比较第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 移相全桥变换器的控制方法有以下几个特点：一个周期TS内，每开关管的导通时间都略小于TS/2，而关断时间都略大于TS/2。在同一个半桥中，上下两个开关管交替导通和关断，从一个开关管关断到另一个开关管开通之间有一定的死区。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 比较互为对角的两对开关管VT1、VT4和VT2、VT3的驱动电压波形可以看出，VT1的驱动电压波形比VT4超前0TS/2，而VT2的驱动电压波形比VT3超前0TS/2，因此VT1和VT2称为超前桥臂，而VT3和VT4称为滞后桥臂。在分析过程中，假设开关器件都是理想的，并忽略电路中的损耗。该电路工作波形如图5-59所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-59移相全桥ZVS-PWM变换器工作波形第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 t0t1：VT1和VT4导通，该电路可等效为图5-60(a)所示。在这段时间内，电流 上升，其上升率受输入电压Uin、输出电压Uo及电感L和Lr的限制，根据变压器的变化kT将次级参数折算至初级，电流 的变化率为：这一过程一直持续到VT1关断(即t1)。t1t2：开关VT1关断后，电路可以等效为图5-60(b)所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图560各阶段的等效电路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 这时电容Cr1、Cr2与电感Lr、L构成谐振回路。谐振开始于t1时刻，这时uA(t1)=Uin，在谐振过程中，uA不断下降，直到uA=0，VDS2导通，电流 通过VDS2续流，这时的等效电路如图5-60(c)所示。VDS2导通后，电流 开始下降，电流下降率：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 t2t3：t2时刻开关VT2开通，由于此时VT2的反并联二极管VDS2处于导通状态，因此VT2开通过程中不会产生开关损耗。VT2开通后，电路状态也不会改变，继续保持到VT4关断(t3)。t2t3阶段的等效电路如图5-60(d)所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 t3t4：VT4关断后，等效电路如图5-60(e)所示，这时CS3、CS4与Lr构成谐振回路。由于Lr较小，电流 迅速减小，当 iL/kT后，变压器次级整流二极管VD1和VD2同时导通，变压器初级和次级电压均为零，相当于短路，因此变压器初级电路可等效为图5-60(f)所示。uB不断上升，直到uB=Uin，VDS3导通，电路如图5-60(g)所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 这种状态维持到t4(VT3开通)。VT3开通时，VDS3正在导通，因此VT3在零电压下开通，开通损耗为零。t4t5：VT3开通后，初级等效如图5-60(h)所示。但由于Lr较小，这时电感储能消耗很快，电感电流 不断减小，下降率为：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 电感电流 下降到零后开始反向增大，变化率不变，直到t5时刻，=iL/kT，这时变压器次级整流管VD1因电流下降到零而关断。电流iL全部转移到VD2中。电路等效如图5-60(i)所示。 t0t5为半个周期，而在另半个周期t0t5时段中，电路的工作过程与t0t5时段完全对称。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 从以过程的分析，可以得出以下几点结论：(1)在移相控制方法中，t9t1(VT4开通到VT1关断的时段)和t4t6(从VT3开通到VT2关断的时段)为开通时间Ton，其余的时间为关断时间，因此占空比：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 在t0t1和t5t6时段内，电路中才有能量从输入传递到输出，在t3t5和t8t0时间内，电路处于续流状态，因此t3t5和t8t0的时段被称为占空比丢失时间，丢失的占空比为：(2)超前半桥中的开关管VT1、VT2满足后半桥中的开关管VT1、VT4换流过程不完全一样，它们实现零电压开通的情况同换流时的谐振过程密切相关。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2.相移全桥ZVS-PWM变换器控制器UC38751)主要特点相移谐振控制器UC3875用于桥式变换器控制。由于采用零电压开关脉宽调制技术，因此在高频工作状态下，效率很高。该IC可以采用电流型控制，也可以采用电压型控制。为了实现快速故障保护，该器件中还具有独立的过流保护电路。该器件内部包括误差放大器、 PWM比较器、PWM锁存器、各路输出延时电路、输出驱动电路、欠压封锁电路及过流保护等电路，如图5-61所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图561UC3875内部结构第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2)引脚功能该系列变换器有20脚DIP封装、28脚SOIC封装和28脚塑封等多种封装形式。最常用的为20脚DIP封装。该封装的引脚排列如图5-62所示。各引脚的功能如下：20脚GND信号地：所有电压都以GDN脚的电位为基准点。接在FREQSET(频率设定)脚的定时电容器、接在VREF(基准电压)脚的旁路电容器、接在VIN(输入电压)脚的旁路电容器和接在RAMP(斜坡)脚的斜坡电容器都应当直接接到靠近信号接地脚(GND)的地线上。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图562UC3875的引脚排列第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 12脚PWRGND功率地：VC(电源)脚应当接入一只陶瓷旁路电容器。该电容器的另一端应接到与PWRGND脚相连的功率地线上。电路中所需的任何储能电容器都应与该电容器并联。为了抑制噪声和降低直流压降，信号地线和功率地线也可在某一点连接在一起。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 10脚VC输入功率开关管的电源电压：该脚电压为输出功率管及其偏压电路的电源电压。VC脚电压超过3V，输出管就能正常工作，VC脚电压高于12V，可以获得最佳性能。该脚与PWRGND(功率地)脚之间应当接入等效电阻串联电阻和电感都非常小的旁路电容器。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 11脚VIN芯片的电源电压：该脚电压为IC内的逻辑和模拟电路的电源电压。这些模拟电路和逻辑电路为输出开关管提供驱动信号。正常工作时，VIN脚的电压应当高于12V。当VIN脚电压低于欠压封锁门限值时，模拟电路和逻辑电路将不工作。该脚与GND(信号地)脚之间应当接入等效串联电阻和电感都非常小的旁路电容器。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 16脚FREQSET振荡器频率设定：内部高频振荡器的振荡频率决定于接在该脚和信号地GND脚的电阻和电容的数值，即第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 17脚CLOCK/SYNC双向时钟和同步：作输出端用时，该脚输出时钟信号；作输入端用时，该脚提供同步点。在应用中，采用多只UC1875时，若每只器件的固有振荡频率不等，把每只器件的CLOCK/SYNC脚连在一起，那么所有器件将与振荡频率最高的器件同步。如果外部时钟信号的频率高于该器件的固有振荡频率，该器件也可与外部时钟步。应当说明，为了减小时钟脉冲宽度，该脚应接入一个电阻负载。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 18脚SLOPE设定斜坡的斜率/斜率补偿：接在该脚和VCC脚之间的电阻的阻值确定产生斜坡电压的电流。该电阻若接到直流输入电压端，则可以提供电压反馈。19脚RAMP斜坡电压：该脚为PWM比较器的输入端。在该脚和GND(信号地)脚之间应接入一只电容器。斜坡电压的斜率由下式决定：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2脚E/AOUT误差放大器输出：误差放大器输出电压低于1V时，相移角将为0。因为误差放大器只能输出较小的驱动电流，所以驱动低阻源时输出可能过载。3脚E/A-误差放大器反相输入端：该脚通常接到检测输出电压的分压电阻上。4脚E/A+误差放大器同相输入端：该脚通常接基准电压，以例与E/A-脚的取样电压比较。6脚SOFT-START软启动：只要VIN低于欠压锁定门限值，SOFT-START(软启动)脚将保护地电位。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5脚C/S+电流检测：该脚为过流比较器的同相输入端。该比较器的反相输入端接至内部2.5V固定电压。14、13、9、8脚OUTAOUTD(输出A输出D)：各输出端能够提供2A推拉输出电流，该电流可以实现MOSFET栅极最佳驱动。15和7脚DELAYSETA-B、DELAYSETC-D输出延时控制：调整从该脚到地的电流值，可以设定输出级(A、B或C、D)导通延迟时间。1脚VREF基准电压：该脚与内部的5V精密基准电压源相连。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 3)基本工作原理欠压封锁电路。欠压封锁电路如图5-61所示。电源接通后，若输入电压VIN低于欠压封锁门限值，欠压封锁比较器输出低电平，基准电源无输出，故障锁存器复位，软启动电容放电，各输出端维持低电平。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 振荡器。芯片内的高频振荡器既可以作自由振荡，也可以与外部时钟同步。作自由振荡时，振荡频率由接在FREQSET(频率设定)和GND(信号地)脚之间的电阻和电容的数值决定。将多只UC3875的CLOCK/SYNC(时钟/同步)脚接在一起，多只UC3875的振荡器就能与振荡频率最高的振荡器保持同步。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 延时封锁和输出级。该器件采用高速推拉驱动级，流入或流出各输出端的峰值电流大于1A，各级输出电流之间的延迟时间约为30ns。两组输出信号之间的延时(死区)由延时设定(DELAYSET)脚的外接电阻调整。DELAYSET(延迟设定)脚的电压稳定在2.5V。死区时间可在20200ns之间调整。由CU3875组成的相移谐振全桥变换器电路如图5-63所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-63由UC3875组成的相移谐振全桥变换器第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 故障和软启动。故障控制电路具有两种切断输出的方法：四个功率输出级全部关断和控制相移达到零。斜坡电压产生电路。斜坡电压产生器可采用电压型控制和电流型控制。在VIN和SLOPE脚之间接入电阻RSLOPE，在RAMP脚和接地脚GND之间接入CRAMP，即可实现简单的电压型工作。在电源电压VC脚和SLOPE脚之间接入电阻RSLOPE可以实现电压反馈控制，带斜率补偿的电流型控制电路如图5-64。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-64电流型斜坡电压控制电路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 3.BiCOMOS相移谐振PWM控制器UCC38951)主要特点UCC3895相移谐振PWM控制器适用于全桥变换器控制。它可以移动一个半桥对另一个半桥驱动脉冲的相位，实现恒定频率、高效率零电压转换脉冲宽度调制。该器件既可用作电压型控制，也可用作电流型控制。 UCC3895包含UC3875相移谐振PWM控制器的全部功能。与以前的相移谐振PWM控制器相比，UCC3895增强了控制逻辑能力、增加了自适应延时设定和关断能力。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图565UCC3895内部框图第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2)最大额定值电源电压(IDD10mA)17V电源电流30mAREF电流15mA输出电流100mA各模拟输入脚电压(EAP、EAN、EAOUT、RAMP、SYNC、ADS、CS、SS/DISB)-0.3VREF+0.3V第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 TA=25时的功耗(N封装)1WTA=25时的功耗(D封装)650mW存贮温度-65+150结温-55+125UCC3895引脚排列流入各引脚的电流为正值，流出各引脚的电流为负值。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 3)引脚排列及功能UCC3895具有多种封装形式，最常用的有DIL-20和SOIC-20封装，这些封装的引脚排列如图5-66所示。各引脚的功能如下：2脚EAOUT：误差放大器的输出端。在器件内部，该脚接PWM比较器和空载比较器的同相输入端。7脚CT：振荡器定时电容。振荡器方框图如图5-67所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-66UCC3895引脚排列第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-67UCC3895内部振荡器原理框图第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 8脚RT：振荡器定时电阻。在UCC3895中，外接的振荡器定时电阻RT确定外接定时电容器的充电电流，从而决定振荡器的工作频率。12脚CS：电流取样。该脚为电流取样比较器的反相输入端，也是过流保护比较器和ADS放大器的同相输入端。9、10脚DELAB、DELCD：各互补输出端之间的延时调整。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 20脚EAP：误差放大器的同相输入端。1脚EAN：误差放大器的反相输入端。5脚GND：除输出级外，芯片内所有电路的接地端。18、17、14、13脚OUTAOUTD：芯片内四个互补MOS驱动器的输出端。各端最大输出电流为100mA，用于驱动MOSFET。16脚PGND：输出级接地端。3脚RAMP：PWM比较器的反相输入端。19脚SS/DISB：软启动/关断，该脚具有以下两种独立的功能。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 6脚SYNC：振荡器的同步端(参看振荡器的方框图)。15脚VDD：电源电压端。VDD脚到地之间必须外接等效串联电阻和等效串联电感都很小的1.0F以上的旁路电容。4脚REF：5V2%基准电压。该电源不仅可为内部电路供电，还可为外部负载提供5mA电流。11脚ADS：自适应延时设定。自适应延时设定电路如图5-68所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-68自适应延时设定电路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 4)简单应用电路采用UCC3895的相移谐振变换器简化电路及工作波形如图5-69所示。电阻RT和电容CT决定内部振荡器的工作频率，振荡器输出时钟脉冲(CLOCK)的波形如图所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-69采用UCC3895的相移谐振变换器主电路及工作波形第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-69采用UCC3895的相移谐振变换器主电路及工作波形第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.7 并联均流技术并联均流技术 5.7.1并联电源系统的基本要求为了满足大容量通信设备的要求，通信开关电源系统通常都由许多开关整流模块并联而成。这样就要求每个开关整流模块内都应加入负载均流电路，以保证电源系统正常工作时各模块的输出电流基本平衡。否则可能造成几个模块供给全部负载电流，其他模块空载运行，从而使几个模块严重过载，大大降低电源系统的可靠性。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.7.2并联均流的基本方法1.输出电压调整法输出电压调整电路如图5-70所示。在并联电源系统中，调整某台电源模块的输出阻抗，即可实现负载均流。在工作过程中，当某台电源模块输出负载电流增大时，电流取样电阻RS两端压降升高，因此电流放大器输出电压升高。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-70输出电压调整电路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2.主从电源模块控制法在电流型开关稳压电源中，误差电压与负载电流成正比。利用主从电源模块控制法很容易实现负载均流。主从电源模块控制法原理电路如图5-71所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-71主从电源模块控制电路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 3.平均电流自动均流法平均电流自动均流控制电路如图5-72所示。均流总线连接所有的电源模块，每台电源模块的输出电流都通过电流监控器转换为控制电压VC，并经过电阻R加到均流总线上。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-72平均电流自动均流控制电路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 4.最大电流自动均流法这种均流法的控制电路如图5-73所示。输出电流最大的模块的电流与其他模块的电流比较，其差值经调整放大器放大后，调整模块内的基准电压，以保证负载电流均匀分配。该电路与平均电流自动均流控制电路的差别只是用二极管VD代替电阻R，而且只允许电流最大的模块的电流取样电压加到均流总线上。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-73最大电流自动均流控制电路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.7.3负载均流集成控制器UC3907应用1.概述负载均流控制器UC3907可以保证多台电源模块并联工作时，各模块输出负载电流相等。在正常工作过程中，均流总线通过监控每个模块的输出电流可以确定输出电流最高的模块，并把它定为主控模块，然后根据主控模块的电流，调节其他模块的电流，调整范围为主控模块输出电流的2.5%。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2.主要技术参数电源电压35V光耦输出电压35V光耦输出电流+20mA状态指示脚灌电流+20mAC/S脚输入电压+35V均流总线电压-0.3+35V其他脚模拟输入电压-0.3+10V其他脚模拟输入电流10mA接地放大器灌电流+50mA第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 1、9、12、15脚灌电流+20mA存贮温度范：-65+150结温-55150焊接温度(焊接时间10s)+300第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 3.原理框图和引脚功能UC3907内部包括电压放大器、可调基准电压、驱动放大器、调整放大器、电流取样放大器、缓冲放大器、状态指示电路等，如图5-74所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-74UC3907内部原理框图第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 UC3907采用DIL-16脚和SOIC-16脚等封装形式，引脚排列分别如图5-75所示。各引脚的功能说明如下：1脚C/SOUT：电流取样放大器的输出端，也是缓冲放大器的同相输入端。2脚C/S(+)：电流取样放大器的同相输入端。3脚C/S(-)：电流取样放大器的反相输入端，电流取样放大器的两输入端应接到功率变换器中电流取样电阻两端。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-75UC3907引脚排列第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 4脚-SENSE：接地放大器的同相输入端，该脚为电源系统的真正接地端，如无特殊说明，电路中的所有电压均以该脚为基准。5脚POWERRTN：功率接地端，该脚电压为负值，比4脚(-SENSE)电压低05V。实际应用中，该脚应尽量靠近电源系统的功率级，以减小接地连线上的压降。6脚(ARTIFICIALGROUND)：人为接地端，也称为虚地端，该脚为低阻抗接地脚，该脚电压比4脚(-SENSE)高250mV。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 7脚VREF：内部基准电压输出端，该脚与4脚(-SENSE)之间的电压为2V，精度为1.5%。电源电压在4.536V之间变化时，基准电压都可稳定在2V。8脚ISET：驱动放大器电流设定，该脚应外接一只电阻，以便设定驱动放大器的输出电流。9脚OPTODRIVE：光电耦合器驱动输出端，该脚应与外部的光电耦合器连接。10脚VCC：电源电压，该脚输入电压在4.535V之间变化时，UC3907都可正常工作。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 11脚-SENSE：电压放大器反相输入端，电源系统输出电压取样信号应加到该脚。12脚COMP：电压放大器输出端，也称为回路补偿端。实际应用时，该脚到11脚(+SENSE)之间应接入RC补偿网路。13脚ADJINPUT：调整放大器的反相输入端。实际应用中，该脚通常与电流取样放大器的输出端(1脚)相连。14脚(ADJOUTPUT)：调整放大器输出端，为了改善调整放大器的性能，该脚应接入补偿电容。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 15脚CURRENTSHAREBUS：均流总线，该脚为缓冲放大器的输出脚，也是调整放大器的同相输入端。该脚电压通过调整放大器改变各并联电源模块的基准电压，从而实现负载均流。16脚STATUSINDICATE：主控模块指示端，该端为集电极开路输出。在该端与VCC脚之间接入指示灯，可以指示并联模块中那个模块为主控模块。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 4.基本工作原理采用UC3907负载均流控制器组成的并联供电系统，既可实现负载均流，也可以精确地控制输出电压。电源系统的输出电压由高阻抗电压放大器控制。每个电源模块的输出电流都由电流取样放大器检测，并通过调整放大器改变误差电压放大器的基准电压，从而实现负载均流。1)电压控制回路电压控制回路由电压放大器、接地放大器和驱动放大器等部分组成，如图5-76所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-76UC3907电压和电流控制回路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2)电流控制回路电流控制回路由电流放大器、缓冲放大器、调整放大器和状态指示器等部分组成，如图5-76所示。电流放大器的输出电压与该模块的负载电流成正比，该电压可按下式计算： VOUT=20RSIOUT式中，RS为电源模块中的电流取样电阻，IOUT为电源模块的输出电流。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.实际应用电路 UC3907在离线式开关电源中的应用电路如图5-77所示。电源模块输出负载电压经R1、R2分压后，加到电压放大器的反相输入端，与同相输入端的基准电压比较后，经电压放大器放大后，又经驱动放大器通过光电耦合器加到离线式开关电源初级的PWM控制器，调整输出脉冲占空比，即可稳定该电源模块的输出电压。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-77UC3907在开关电源中的应用第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 由三台电源模块组成的并联电源系统如图5-78所示。各模块的输出电流通过接在开关电源功率级的电流取样电阻检测后，加到控制器的电流取样输入端I(+)和I(-)输入端。并联电源系统的输出电压加到控制器的电压取样输入端，每个控制器的S端都与均流总线相连，根据各模块电流取样电压与均流总线电压之差。改变调整放大器输出电压，并通过电源模块中的PWM控制器，改变各模块的输出电流，从而达到负载均流的目的。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-78三个电源模块组成的并联电源系统第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.7.4负载均流集成控制器UC3902应用1.概述UC3902负载均流控制器是一种八引脚器件，它可使多台并联电源的输出电流均衡。通过调整每台电源的输出电流，使其与均流母线上的电压成正比，即可实现负载均流。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2.绝对最大额定值电源电压(ADJ和VCC)-0.320V取样电压-55VADJR和COMP脚电压-0.34VSHARE-和SHARE+脚电压-0.310VSHARE+脚电流-100+10mAAJT脚电流-130mA存放温度-65+150结温-55+150焊接温度(焊接时间10s)+300第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 所有各脚的电压均是指各脚到1脚(GND)之间的电压，流入各引脚的电流为正值，流出各引脚的电流为负值。温度限制和封装形式请参看数据手册中的封装选择部分。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 3.内部框图和引脚功能UC3902内部由电流取样放大器、误差电压放大器、调整放大器、均流取样放大器、均流驱动放大器、偏压电源和欠压封锁电路等部分组成，如图5-79所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-79UC3902内部框图第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 UC3902采用DIL-8脚和SOIC-8脚封装，引脚排列如图5-80所示。各引脚的功能如下：ADJ：调整放大器电流输出端(NPN晶体管的集电极)。ADJR：电流调整放大器范围设定(NPN晶体管的发射极)。COMP：误差放大器输出端，调整放大器输入端。该脚应接入补偿电容。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-80UC3902引脚排列第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 GND：电源接地和信号接地端。SENSE：电流取样放大器反相输入端。SHARE+：均流母线或驱动均流母线的正输入端。SHARE-:SHARE+的基准。VCC：电源正极。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 4.典型应用电路采用UC3902负载均流控制器时，必须确定五个外接无源器件的数值。多台电源并联供电时，各台电源的输出线和返回线都接在负载上，并且电流取样电阻RSENSE都串入负极的返回线中。另一只电阻RADJ应串入每台电源正极的遥控取样线中，每只UC3902的均流母线端点(SHARE+和SHARE-)分别接在一起，同时SHARE-节点还应接系统的接地端，典型应用电路如图5-81所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-81UC3902典型应用电路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 负载均流控制器可按以下五个步骤设计：步骤1：根据公式 RSENSE=VSHAREmax(ACSAIOmax)式中ACSA为电流取样放大器的增益，其值为40，满载时，取样电阻RSENSE两端的压降为IOmaxRSENSE。根据电流取样放大器的增益，满载时均流母线上的最高电压应为： VSHAREmax=ACSAIOmaxRSENSE第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 步骤2：根据公式为了使UC3902能够输出足够的驱动电流并减小UC3909的东耗，IADJmax应当尽可能小一些。通常IADJmax应在510mA之间。在典型应用电路中，从ADJR脚到接地脚之间接有360电阻(RG)，IADJmax约为5mA。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 步骤3：根据公式为了不影响电源变换器电压反馈回路的正常工作，RADJ的阻值应当尽可能小一些，根据V0、VOmax和选定的IADJmax等参数，RADJ的阻值应当在20100之间。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 步骤4：根据公式步骤5：根据公式为了增加负载均流回路的相位裕度，在均流补偿回路中，电容Cc应与一只电阻Rc串联，从而使在负载均流回路交越频率fc处相位为零。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.8 通信用通信用DUM23高频开关组合电源高频开关组合电源 5.8.1主要特点和组成1.功能和特点DUM23智能型高频开关组合电源是采用高频开关变换技术、微机控制技术以及计算机通信技术制成的智能通信电源系统。DUM23智能高频开关组合电源适用于程控电话交换局、移动通信交换局和基站、光纤及微波通信等设备，尤其适用于要求无人值守且集中监控的通信系统。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 DUM23智能型高频开关组合电源最大输出电流为400A，有48V和24V两种输出电压，型号分别为DUM23-48/600和DUM23-24/600,48V系统为正极接地，24V系统为负极接地。DUM23高频开关组合电源具有以下特点：整流器模块体积小，重量轻，可带电插拔，安装维护方便。每台整流器模块输出容量为48V/100A或24V/100A，可按用户需要确定模块数量，三相交流无中线输入，高频开关变换，效率高，功率因数高，可靠性高。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 系统具备优良的电磁兼容性，电磁干扰指标满足VDE0871A级标准。系统采用微机监控，可满足无人值守的要求。通过RS232或RS485接口可实现远程集中监控。可监控100个电源系统内各设备的实时运行状况，并记录、打印各系统历史信息，具有定时回叫、紧急故障回叫、顺序拨号功能(三个电话号码)。具有良好的界面设计及汉化显示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2.系统组成DUM23型组合电源系统由交流配电单元、DMA10开关整流模块(26个)、直流配电单元、12组蓄电池和DK04型监控模块等部分组成，如图5-82所示。该组合电源的各个组成部分都安装在一个机架内，各单元之间的连接电路如图5-83所示。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-82DUM23组合电源系统的组成第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.8.2交流配电单元交流配电单元的原理电路如系统原理框图所示。1.主要技术规格输入：一路市电，三相互线，380V、50Hz采用压敏电阻、防止雷击过电压。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 输出分路：QF2-QF7：三相20A6路QF8：三相40A1路QF9：三相32A1路QF10-QF12：单相15A3路具有工作指示和故障指示及相应输出接点。具有交流电压和交流电流传感器并将测量信号送往DK04型监控单元。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2.安装结构交流配电单元安装在机架的下部和中部。下部装有交流输入主空气断路器QF1(1)和输出空气断路器QF8QF12(812)，中部装有给六个整流模块供电的空气断路器QF2QF7(27)。卸下机架下部交流配电单元的盖板，可看到交流配电单元的安装板，该板上装有交流配电信号的电路和测量电路，以及DB9型信号输出端和信号电路的直流电源输入端。地线接线排和中线接线端也装在该板上。在机架中部交流配电单元的盖板上，装有信号灯。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-83DUM23组合电源系统原理框图第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.8.3DMA10型开关整流模块1.概述DMA10型开关整流模块有48V和24V两种规格，型号分别为DMA10-48/100和DMA10-24/100。DMA10型超小型高效率高频开关整流模块，既可以独立工作，也可多台并联，统一接受DK04型监控模块控制。DMA10型整流模块内包含带微处理器的前显示板，因而整流模块具有控制、监视和显示功能。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 DMA10型整流模块具有插拔式结构，风冷，体积小，重量轻，安装与维护极为方便。主要特点有：具有输入交流电压过高、过低保护且市电恢复正常后，整流模块可自动恢复工作。具有过压、过流和过温等保护功能。可显示输出电压、电流以及各类告警信息。按菜单提示，选择和整定运行状态和参数。可以送出实时运行信息或接收远程控制。对运行状态选择和运行参数整定的操作均有密码保护。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2.主要技术参数DMA10型开关整流模块的主要技术参数如表5-3所列。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 表5-3DMA10型整流模块技术参数第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 3.主电路DMA10型高频开关整流模块主电路原理框图如图5-84所示。交流输入电压经电磁干扰(EMI)滤波器、低频整流滤波电路变成与市电不隔离的高压直流电，然后通过双半桥直流变换器输出稳定的直流电压。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-84DMA10型开关整流模块主电路原理框图第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 该电源没有笨重的工频(50Hz)变压器，三相交流输入电压直接整流成直流高压。高频变压器组成的直流功率变换电路，完成直流高压(300V)到直流低压(48V)的交换。由于变换器开关频率很高，所以该整流模块的体积和重量大大减少。在输出同等功率的情况下，开关整流模块的体积只有相控整流器的1/10，重量也只有相控整流器的1/10。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 4.输入电路输入电路包括三相交流输入电压、EMI滤波器、输入整流滤波电路等，如图5-85所示。三相交流电压经电感L2、L5、L6、L7，电容C3、C14、C15及C2、C7、C19组成的EMI滤波网络滤波，经V1、V2两个单相全桥组成的三相全波整流电路整流(直流整流)，再经电容C9、C18滤波产生与电网不隔离的直流高压HVDC。该电压送到功率变换级。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-85DMA10型整流模块的输入电路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.半桥功率变换电路由功率开关管VS1和VS2、电容C1和C2及高频变压器Tr组成的半桥功率变换电路如图5-86所示。由控制电路输出的驱动信号控制VS1、VS2轮流导通和截止，又通过电容C1、C2的充、放电，就会使变压器Tr初级电压的极性交替变化，从而在变压器Tr次级输出交流电压，该交流电压通过高频整流滤波电路后，输出直流电压。将两个半桥电路的输出功率叠加，可增大输出功率。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-86半桥功率变换电路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 半桥式变换器的变压器有以下两个基本计算公式：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 式中：Se铁芯的有效截面积(cm2)Sc铁芯窗口有效面积(cm2) Pout输出功率(W)D导线电流密度(圆密尔/安培) f工作频率(Hz)Bmax铁芯的最大工作磁通密度(T)Vp初级绕组两端的电压(V)Np初级绕组匝数第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 第一个公式确定铁芯的几何尺寸，若Pout为定值，则SeSc与f和Bmax的乘积成反比，这就是说，Bmax不变时，f越高，SeSc越小。第二个公式确定初级绕组的匝数，设Bmax一定，则Np与f成反比，即线圈的体积随频率的升高而减小。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 开关器件VS1、VS2由功率场效应管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)组成。MOSFET是电压驱动器件，驱动电路简单，驱动功率小且上升和下降速度快，储存时间短，因此开关损耗小。但场效应管导通时有一定电阻，所以通态损耗较大。IGBT是功率场效应管和晶体管构成的电压驱动器件，具有驱动简单、开关速度快、导通压降低等优点。但是IGBT关断时间长，所以关断损耗较大。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 MOSFET和IGBT组合电路如图5-87所示。该组合能够同时利用两者的优点，又弥补各自的不足，组成通态损耗小， 关断损耗也很小的组合开关。 在DMA10型高频开关整流模块中，由于应用了这种组合开关，所以变换效率达到91%以上。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-87MOSFET和IGBT构成的组合开关第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 6.输出电路DMA10型开关整流模块的输出电路如图5-88所示。高频变压器次级绕组Ns两端的电压经VD3、VD4整流后，产生直流脉冲电压，该电压经电感L0、电容C0滤波后输出稳定的直流电压V0。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图588DMA10整流模块输出电路第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.8.4集中监控系统1.系统组成DUM23型组合高频开关电源的集中监控系统，由组合电源中的监控级、公用电话网和远程监控中心组成，如图5-89所示。远程监控中心可监控1N台设备的监控级。监控用PC机应选386以上的兼容机，调制解调器可选用交流或直流电源型MODEM，最好采用9V或12V电源。远程监控中心可按协议与各电源系统通信，并可查询各设备监控级的运行状态或等待告警呼叫。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-89集中监控系统的组成第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2.DK04型监控模块DK04型监控模块可对各设备的运行状态和参数进行调整、控制、显示与记录，主要技术性能如表5-4所列。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 3.过程监控性能查询电源设备当时运行情况，显示交流配电单元、整流器单元、直流配电单元的电压、电流和告警情况。查询和显示电源设备运行状态。查询蓄电池工作状态。根据需要增加密码保护系统工作参数的随意改变。遥开、遥关高频开关电源，遥控转换均充/浮充工作方式。查询和操作内容可形成记录文件并可按需要打印。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 各设备告警自动呼叫，显示告警内容。存储和修改电话号码。打印告警记录，记入告警文件。10显示蓄电池充、放电时间曲线。11各类文件存入相应子目录，且可随时查阅和打印。12中文、英文显示任选。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 4.用户接口板(UIB)每个电源系统装有一块用户接口板，主要完成被监控设备与监控模块间信号转接与转换的作用。用户接口板有五个温度传感器接口，五个电流传感器接口，DK04监控模块工作电源接口，12种告警信号输出端子，RS485通信口，系统电压、电流远端遥测输出和交流电压、电流信号接口及配电单元熔断器故障信号接口。这些接口均通过扁平电缆与DK04监控模块相加。用户接口板插座布局图如图5-90所示，各插座的功能如表5-5所列。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 图5-90用户接口板插座布局图第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 5.8.5直充配电单元DUM23型组合高频开关电源系统的直流配电电路如系统原理框图所示。1.主要技术规格输出电压：-48V；24V最大输出电流：600A输出分路数及电流：第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 200A4路100A2路50A2路32A2路电池分路：接两组电池每路输出电流250A第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 2.电流检测与熔丝熔断告警直流配电单元中，装有测量总负载电流和两组电池电流的霍尔传感器，测量信号经用户接口板送往DK04监控单元。组合电源工作过程中，电池熔丝或负载熔丝熔断后，相应的信号熔断器熔断；接通输出告警接点，相应的发光二极管指示那个熔断器熔断。第第5 5章章 开关型稳压电源开关型稳压电源 3.安装结构直流配电单元装在机架的上部，左边装有电池熔断器和负载熔断器，右边装有信号板。两个电池熔断器分别接两个电池汇流排，在该汇流排上可外接两组蓄电池，电池汇流排上套有霍尔电流传感器，用来检测电池的电流。负载熔断器的总汇流排上，也套有霍尔电流传感器，用来检测总负载电流。信号板上装有熔丝熔断告警信号板、告警指示灯、信号熔断器、信号灯降压电阻和DB25型插座。