多路精密穩(wěn)壓電源的研究
摘要:在傳統(tǒng)多路輸出開關(guān)電源中,存在輸出電壓交叉調(diào)整率低和輔助回路穩(wěn)壓精度差的難題。針對此問題,詳細(xì)分析了磁放大器穩(wěn)壓原理和基于磁放大技術(shù)的有源箝位正激變換器工作特性,提出了一種基于固定占空比、峰值控制模式、磁放大器調(diào)節(jié)的多路輸出有源箝位軟開關(guān)正激變換器。該拓?fù)潆娐肪哂谐杀镜?、結(jié)構(gòu)簡單、效率高、輸出電壓交叉調(diào)整率高的優(yōu)點。研制了一臺基于該技術(shù)的樣機(jī),開關(guān)頻率為45 kH,額定輸入直流電壓220 V,輸出5 V/10 A和24 V/2 A的開關(guān)電源。該樣機(jī)滿載效率為88.9%,全負(fù)載范圍內(nèi)交叉調(diào)整率為0.5%,驗證了該方案的合理性。
關(guān)鍵詞:電源;有源箝位;磁放大器;交叉調(diào)整率
1 引言
隨著電子器件技術(shù)的快速發(fā)展和電路規(guī)模的不斷增大,對多路隔離輸出開關(guān)電源的需求越來越多。常規(guī)的多路輸出開關(guān)電源大都采用反激或正激的拓?fù)潆娐?,通過簡單增加變壓器的次級繞組路數(shù)以實現(xiàn)多路輸出。由于變壓器漏感、繞組電阻以及次級功率元器件參數(shù)的一致性偏差等因素的影響,造成輔助回路輸出電壓的穩(wěn)壓精度較差。尤其是對于正激變換器,當(dāng)輸出電感電流不連續(xù)時,輔助繞組的穩(wěn)壓精度更差。
針對正激變換器,通常采用耦合電感的方式來提高輔助回路的輸出穩(wěn)壓精度。該方法僅在一定程度上提高了輔助繞組的穩(wěn)壓精度,但仍無法實現(xiàn)精確穩(wěn)壓;另外,當(dāng)耦合電感的匝比不能與變壓器次級繞組匝比完全相同時,會在耦合電感中引起不同的互感電勢,在兩路輸出之間引起環(huán)流,導(dǎo)致輸出紋波加大。
目前實現(xiàn)多路穩(wěn)壓的方式主要有4大類:輔助繞組采用線性穩(wěn)壓方式、采用開關(guān)電源二次穩(wěn)壓方式、采用同步開關(guān)或磁放大器的后置調(diào)節(jié)方式、通過正激變換器輸出濾波電感的耦合繞組達(dá)到多路輸出的目的。其中,線性穩(wěn)壓方式是最簡單的一種,但效率很低。采用開關(guān)電源二次穩(wěn)壓的方式效率高,但成本也較高,同時二次穩(wěn)壓電路還會在一定程度上影響主電路的工作。采用磁放大器和采用同步開關(guān)的后置調(diào)節(jié)方式在穩(wěn)壓原理上屬于同一種類型,效率較高。通過輸出濾波電感耦合繞組實現(xiàn)多路輸出的方式有很大的局限性,耦合繞組的輸出功率很小,可采用磁放大的“時間分配”后級調(diào)整控制方式提高穩(wěn)壓精度,但增加了變換器的復(fù)雜程度。
這幾種穩(wěn)壓方式都是在次級輔助繞組上進(jìn)行研究,無法解決主反饋輸出回路和輔助輸出回路間的交叉調(diào)整率問題。在主輸出繞組空載,輔助繞組輸出滿載的情況下,都無法實現(xiàn)輔助繞組的精密穩(wěn)壓。這里在分析磁放大穩(wěn)壓技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)多路獨立調(diào)節(jié)以達(dá)到精密穩(wěn)壓的有源箝位正激變換電路。采用無死區(qū)柵極電荷維持法的同步整流電路,可進(jìn)一步提高變換效率。采用固定伏秒值的控制方式代替固定占空比的模式可進(jìn)一步優(yōu)化磁放大器的工作狀態(tài)。
2 工作原理
2.1 磁放大器工作原理
磁放大器的核心是一個由軟磁合金制成帶有矩形磁滯回線的環(huán)形磁芯。多數(shù)情況下,只有一組線圈用來工作及控制去磁電流。磁放大器對于磁芯材料要求非常高,不僅要求低磁性反轉(zhuǎn)損耗,同時還要有矩形磁滯回線及容易飽和的特性。
圖1為磁放大器的磁滯回線特性曲線。磁放大器的功能可描述成類似于開關(guān)晶體管的高速磁開關(guān)。矩形磁滯回線有兩種工作狀態(tài):只要磁芯去磁,開關(guān)就斷開,電流不能輸出;一旦磁芯材料達(dá)到飽和,開關(guān)就接通,電流開始輸出。這是因為該磁芯在進(jìn)入飽和時,其磁導(dǎo)率要經(jīng)過3~4數(shù)量級的急劇變化。
磁放大器穩(wěn)壓技術(shù)是通過控制變壓器次級線圈電壓脈沖的脈寬來實現(xiàn)的。其原理如下:首先可以將磁放大器理解為一個PWM“磁開關(guān)”,在磁放大器飽和后,相當(dāng)于“磁開關(guān)”ON,變壓器次級方波脈沖通過,其幅值乘以占空比等于輸出電壓。若輸出電壓升高,控制電路使磁放大器復(fù)位,退出飽和區(qū),此時磁放大器相當(dāng)于一個很大的電感,阻止變壓器次級方波脈沖通過,即PWM“磁開關(guān)”OFF,這樣方波脈沖便會被“斬波”一部分,于是輸出電壓自然會下降,從而達(dá)到穩(wěn)壓的目的。
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