用于通信電源中的零電壓準諧振開關變換器

摘要：分析零電壓準諧振開關變換器的基本工作原理，同時介紹PFM控制器UC1864。實踐證明，采用這種軟開關技術設計的通信開關電源，具有良好的性能。

關鍵詞：軟開關準諧振變換器脈頻調制

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

　　隨著電子應用技術的迅速發展，要求電子儀器和設備的可靠性不斷提高、功能不斷增加、使用趨向自動化及智能化、體積小型化。這樣開關電源的優勢便顯示出來，它已廣泛應用于以電子計算機為主導的各種終端設備、通信設備中，是當今電子信息產業飛速發展不可缺少的支撐。另一方面，由于集成電路技術的普及應用，也促進了電子設備的小型化和多功能化，使成本不斷降低。但限制開關電源體積減小和重量減輕，主要是開關電源的變壓器、電抗器等磁性元件和平滑波形的電容器。雖說可通過提高開關頻率減小磁性元件和平滑電容器的尺寸，但卻帶來元器件損耗增大、溫升增高。同時開關頻率提高后，受電路中分布電感和電容或二極管中存儲電荷的影響而產生浪涌或噪聲。這樣，不僅會影響周圍電子設備，而且還會大大降低電源裝置本身的可靠性。目前，提高開關電源工作頻率的一種最有效的方法，是采用軟開關技術，即在開關管導通時加在開關兩端的電壓或通過開關的電流呈正弦波，這樣既可減少開關損耗，同時也可以控制浪涌的發生，使得噪聲很小。

　　基于以上考慮，通信車載電源的研制，采用了零電壓準諧振式開關變換器，使整個電源達到體積小、重量輕、電磁兼容性好、成本低、可靠性高等特點。

圖1整機電路原理框圖

2系統總體框圖及控制原理

　　整機電路可以分成如圖1所示的兩大部分。

　　輸入直流13．5V電源經輸入保護、輸入濾波給開關電路提供直流電壓和脈動電流。開關電路由控制電路提供脈頻可調的信號，控制開關管的通斷，將直流電壓變換成為交變電壓，再經輸出整流濾波電路平滑成低紋波的26V直流輸出電壓。

　　控制電路由脈頻調制（PFM）電路、電壓采樣、保護電路等組成。電壓采樣電路將取出與輸出電壓成正比的信號，送至脈頻調制電路，調整開關管的脈沖頻率，達到穩定輸出的目的。電路的保護功能，是當檢測到開關管有過流、輸入電壓欠壓或極性接反，立即關斷輸入電壓及PFM控制信號，從而實現對電源本身和負載的保護措施。

3零電壓準諧振電路

3．1準諧振電路結構

　　主開關電路為零電壓半波準諧振升壓變換器，如圖2所示。

圖2零電壓半波諧振升壓變換器電路

　　設計零電壓準諧振電路有兩種方式：一是全波型，二是半波型。零電壓準諧振電路的全波型比半波型多串聯了一個反向二極管。在開關過程中，全波型串聯二極管起到反向電流阻止作用，但開關中的結電容的能量在開關關斷期間被儲存，在開關導通期間承受電容導通的損耗，這在高頻下工作是不利的，所以準諧振變換器的方式，在高頻情況下一般選擇零電壓半波準諧振變換器電路。

3．2基本工作原理

　　準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，需引入下述參數：　特性阻抗　規一化開關頻率　規一化負載電阻　諧振角頻率

　　電壓變比n=UO/Ui

　　零電壓半波準諧振變換器，在穩態工作下，一個完整的開關周期可分為四個階段，其等效電路如圖3所示。

圖3零電壓準諧振變換器的等效電路

圖4零電壓準諧振變換器的典型波形

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

　　（1）電容充電階段[t0－t1]

　　在t0時刻，開關VT關斷，電容Cr充電，Cr上的電壓線性上升，在t1時刻，Ucr達到UO，二極管VDO導通。

　　t1時刻，二極管VDO導通，電容與電感產生諧振，在t2時刻Ucr降到零時，由反向并聯二極管鉗位于零，諧振狀態結束。初始條件為uCr（t1）=UO

iLr(t1)=0

狀態方程式的解為uCr=UO＋IcrZrsinωr(t－t1)

iLr=Icr－IcrZrcosωr(t－t1)

　　（3）電感放電階段[t2－t3]

　　在t2以后，電感電流線性下降，在時間t3下降到零。同時，在t2時刻，Ucr降到零以后，開關中的二極管電流降到零時，開關中的晶體管開始導通，即零電壓導通。

　　（4）續流階段[t3－t4]

　　在t3時刻，開關晶體管繼續導通，輸入電流流過晶體管，流過晶體管的電流保持不變，直到t4時管子關斷，完成一個周期。輸出電流的平均值（直流電流）由以上分析得，電壓半波準諧振升壓變換器的電壓變比　零電壓開關條件IO≥Ui/Zr

　　對于零電壓準諧振開關，加在開關兩端的電壓與流經開關的電流峰值為Usp=UO＋IiZr Isp=Ii

4PFM控制電路

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

4．1UC1864的主要性能特點

　　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—分別是信號地與功率地，二者應在輸出端匯合。

　　5V—內部5V發生器的引出端。

　　FAULT—保護電路輸入端。

　　SVREF—軟起動及基準電壓端。

　　＋、－、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，所以稱之為振蕩頻率的量程電阻。Rm則用以設定fsmin值。Cv、Ra和Rm應接在相應的引出端與信號地之間。

　　ZERO—零點比較器的零點檢測信號輸入端。

　　RT/CT—瞬間定時器的外接定時電阻和定時電容的公共端。

　　UC1864有如下主要特點：

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

　　（2）采用零電壓開關的設計方案，使外部MOS開關功率管工作在理想的通、斷狀態。

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

（4）完善的保護電路，有欠壓鎖定電路和故障比較器。當輸入電壓低于7V閾值或者檢測到過壓、過流故障時，能將兩個輸出端拉成低電平，起到保護作用。

　　（5）具有通電時軟起動功能，同時當故障排除后能重新起動。

4．2UC1864工作原理

　　UC1864內部主要包括誤差放大器，壓控振蕩器，瞬時定時器，控制邏輯，輸出級，欠壓鎖定。5V電壓發生器，故障比較器，故障鎖存器和延遲鎖存器，零點比較器等。如圖6所示。

圖6UC1864的內部框圖

　　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端的5V基準電壓，由它輸出的誤差電壓Ur就作為控制電壓，用來控制壓控振蕩頻率fs。

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

　　頻率調制靈敏度為

fs/Ur=－1/(RaCv)

上式中，負號表示Ur電壓升高時，振蕩頻率降低。單位為f：kHz，C：μF，R：kΩ。

　　零點電壓檢測及比較電路，目的是要實現真正的零電壓開關。零點比較器的參考電壓為0．5V，信號電壓取自主電路開關MOS管漏—源極電壓Uds。當Uds

波形的下降沿通過0．5V時，零點比較器就翻轉，改變瞬間定時器的狀態，進而使輸出級關斷。

　　故障比較器、故障鎖存器和延遲鎖存器構成的保護電路，有兩種保護方式：軟起動和重新起動。

　　計算軟起動時間（t1）和重新起動的延遲時間（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的穩壓工作過程可概括為：通電后首先經過軟起動階段建立輸出電壓UO，然后由誤差放大器，輸出的控制電壓Ur來調制VCO的振蕩頻率fs，再經過瞬間定時器、控制邏輯和輸出級，驅動外部MOS開關管，最后通過整流濾波電路獲得穩定的輸出電壓UO。假若輸出電壓UO升高，即進行下述閉環調整：

　　UO↑→Ur↑→fS↓→UO↓,使輸出電壓降至穩定值，反之亦然。

5實驗結果與討論

5.1實驗結果

　　采用零電壓準諧振變換器以及UC1864脈頻調制集成電路，為部隊設計了一種車載通信電源。經測試達到如下技術指標：

　　輸入電壓:DC13.5V±15％

　　輸出電壓:DC26V

　　最大輸出電流：15A

　　源效應及負載效應：<1％

　　紋波電壓：≤20mVP－P

　　整機效率:>85％

5.2討論

　　(1)準諧振變換器電路在設計時,不但要考慮在輕負載下滿足諧振條件,又要考慮到重負載時,開關管上所承受的電壓。經優化設計,本電路輸出在26V、2.5A到26V、15A的情況下，其轉換效率η>85％。

　　(2)由于準諧振電路采用的是脈頻調制方法，需根據頻率范圍來設計適當的濾波電路，以減小輸出電壓的紋波。

　　(3)準諧振變換器電路與ZVS—PWM電路相比，雖然ZVS—PWM是采用固定頻率脈寬調制的方式控制輸出電壓，但也面臨輕負載下難于滿足諧振條件的問題，而且在同樣情況下還需增加一個輔助開關管，控制電路較復雜。

6結論

　　零電壓準諧振變換器的突出優點在于，加在主開關器件兩端的電壓呈正弦波，開關時在零電壓處通斷。同時，開關中寄生電感與電容作為諧振元件的一部分，可完全控制開關導通時電流浪涌與斷開時電壓浪涌的發生。采用這種方式不僅能把開關損耗減到很小，而且能降低噪聲。這種方式已成為開關電源高頻化較好的方式之一。

參考文獻

1趙效敏，開關電源的設計與應用，上海科學普及出版社。

2沙占友等，新型特種集成電路及應用，人民郵電出版社。