低壓大電流開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

摘要：隨著計(jì)算機(jī)、通信技術(shù)的發(fā)展，低電壓大電流開關(guān)電源成為目前一個(gè)重要的研究課題。介紹了一種輸出電壓為3.3V，輸出電流為20A的開關(guān)電源的設(shè)計(jì)過程。

關(guān)鍵詞：有源鉗位；同步整流；正激式變換器

1 引言

開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。從上世紀(jì)90年代以來開關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)、程控交換機(jī)、通訊、電子檢測設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開關(guān)電源。隨著電源技術(shù)的發(fā)展，低電壓，大電流的開關(guān)電源因其技術(shù)含量高，應(yīng)用廣，越來越受到人們重視。在開關(guān)電源中，正激和反激式有著電路拓?fù)浜唵危斎胼敵鲭姎飧綦x等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于中小功率電源變換場合。跟反激式相比，正激式變換器變壓器銅損較低，同時(shí)，正激式電路副邊紋波電壓電流衰減比反激式明顯，因此，一般認(rèn)為正激式變換器適用在低壓，大電流，功率較大的場合。

2 基本技術(shù)

2．1 有源鉗位技術(shù)

正激DC／DC變換器其固有缺點(diǎn)是功率晶體管截止期間高頻變壓器必須磁復(fù)位。以防變壓器鐵心飽和，因此必須采用專門的磁復(fù)位電路。通常采用的復(fù)位方式有三種，即傳統(tǒng)的附加繞組法、RCD鉗位法、有源鉗位法。三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)：磁復(fù)位繞組法正激變換器的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟可靠，磁化能量可無損地回饋到直流電路中去，可是附加的磁復(fù)位繞組使變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,變壓器漏感引起的關(guān)斷電壓尖峰需要RC緩沖電路來抑制，占空比D0.5，功率開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力與輸入電源電壓成正比。RCD鉗位正激變換器的優(yōu)點(diǎn)是磁復(fù)位電路簡單，占空比D可以大于0.5，功率開關(guān)管承受電壓應(yīng)力較低,但大部分磁化能量消耗在鉗位電阻中，因此它一般適用于變換效率不高且價(jià)廉的電源變換場合。有源鉗位技術(shù)是三種技術(shù)中效率最高的技術(shù)，它的電路圖如圖1所示，工作原理如圖2所示。在DT時(shí)段之前，開關(guān)管S₁導(dǎo)通，激磁電流i_M為負(fù)，即從C_r通過S₁流向T_r，在DT階段，開關(guān)管S的驅(qū)動(dòng)脈沖u_gs使其導(dǎo)通，同時(shí)u_gs1=0，使S₁關(guān)斷，在V_in的作用下，激磁電流由負(fù)變正，原邊功率通過變壓器傳到副邊，給輸出端電感L充電；在（1－D）T時(shí)段，u_gs=0，S關(guān)斷，u_gs1到來使S₁導(dǎo)通，i_M通過S₁的反并二極管向C_r充電，在C_r和T_r漏感構(gòu)成的諧振電路的作用下，i_M由正變負(fù)，變壓器反向激磁。從以上分析中可以看出：有源鉗位正激變換器變壓器鐵心工作在雙向?qū)ΨQ磁化狀態(tài)，提高了鐵心利用率，鉗位電容的穩(wěn)態(tài)電壓隨開關(guān)占空比而自動(dòng)調(diào)節(jié)，因而占空比可大于50％；V_o一定時(shí)，主開關(guān)、輔助開關(guān)應(yīng)力隨V_in的變化不大；所以，在占空比和開關(guān)應(yīng)力允許的范圍內(nèi)，能夠適應(yīng)較大輸入電壓變化范圍的情況。不足之處是增加了一個(gè)管子，使得電路變得復(fù)雜。

圖1 有源鉗位同步整流正激式電路圖

圖2 有源鉗位電路工作原理圖

2．2 同步整流技術(shù)

在低電壓大電流功率變換器中，若采用傳統(tǒng)的普通二極管或肖特基二極管整流由于其正向?qū)▔航荡螅?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/低壓">低壓硅二極管正向壓降約0.7V，肖持基二極管正向壓降約0.45V，新型低電壓肖特基二極管可達(dá)0.32V)，整流損耗成為變換器的主要損耗，無法滿足低電壓大電流開關(guān)電源高效率,小體積的需要。

MOSFET導(dǎo)通時(shí)的伏安特性為一線性電阻，稱為通態(tài)電阻R_DS，低壓MOSFET新器件的通態(tài)電阻很小，如：IRL3102(20V，61A)、IRL2203S(30V,116A)、IRL3803S(30V,100A)通態(tài)電阻分別為0.013Ω、0.007Ω和0.006Ω，它們?cè)谕ㄟ^20A電流時(shí)，通態(tài)壓降不到0.3V。另外，功率MOSFET開關(guān)時(shí)間短,輸入阻抗高，這些特點(diǎn)使得MOSFET成為低電壓大電流功率變換器首選的整流器件。功率MOSFET是一種電壓型控制器件，它作為整流元件時(shí)，要求控制電壓與待整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能，故稱為同步整流電路。圖1為典型的降壓型“同步”開關(guān)變換器電路(當(dāng)電路中無SR時(shí)，為“普通”的降壓型開關(guān)變換器電路)。

3 電路的設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的電源參數(shù)如下：輸入電壓為50(1±10％)V,輸出電壓為3.3V,電流為20A,工作頻率為100kHz。

采用的主電路拓?fù)淙鐖D1所示。由于有源鉗位采用的是FLYBACK型鉗位電路，它的鉗位電容電壓為：

V_c=V_in

所選用的控制IC芯片為UC3844，它的最大占空比為50％，所以電容上的電壓最大為V_in，電容耐壓為60V以上，只要選取足夠大即可保證電路能正常工作，本電路所選取的鉗位電容為47μF/100V。

有源鉗位管S₁的驅(qū)動(dòng)必須跟變壓器原邊的地隔離開，而且S₁的驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須跟開關(guān)管S驅(qū)動(dòng)信號(hào)反相，使用UCC3580可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)管子的驅(qū)動(dòng)，可是這個(gè)芯片并不常見，因而這里選用UC3844跟IR2110組合。UC3844出來的控制信號(hào)用來作為IR2110的低端輸入，其反相信號(hào)作為IR2110的高端輸入，IR2110的高端驅(qū)動(dòng)通過內(nèi)部自舉電路來實(shí)現(xiàn)隔離。這樣，我們就達(dá)到了驅(qū)動(dòng)兩個(gè)開關(guān)管的目的。