多路独立供电的半桥变换器的设计

摘  要：介绍了一种功率较大的可多路独立供电的半桥DC／DC变换器。采用了有源功率因数校正技术以实现系统的高功率因数。DC／DC主电路采用高速双路PWM芯片UC3825控制的半桥变换器，并且采用了动态响应快，驱动能力强，工作频率高的IR2304作为MOSFET的驱动芯片。
关键词：半桥变换器；UC3825；功率因数校正；IR2304；多路；独立

0 引言
    随着电力电子技术的发展，电源技术被广泛应用于各个行业。对电源的要求也各有不同。本文介绍了一种功率较大，多路输出(20路及以上)并且相互独立的开关电源。

    设计采用了AC／DC／AC／DC变换方案。一次整流后的直流电压，经过有源功率因数校正环节以提高系统的功率因数，再经半桥变换电路逆变后，由高频变压器隔离降压，最后整流输出直流电压。系统的主要环节为有源功率因数校正电路、DC／DC电路、功率因数校正电路、PWM控制电路和保护电路等。采用UC3854A／B控制芯片组成功率因数校正电路来提高功率因数，用新型的芯片UC3825作为控制芯片来代替SG3525，不仅外围电路简单，而且具有有容差过压限流功能，还采用了新型IR2304作为驱动芯片，动态响应快，且自带死区，防止半桥上下管直通。

1 有源功率因数校正电路
    为了提高系统的功率因数，整流环节不能采用二极管整流，采用了UC3854A／B控制芯片组成功率因数校正电路。UC3854A／B是Unitrode公司一种新的高功率因数校正器集成控制电路芯片，是在UC3854基础上的改进，其特点是采用平均电流控制，功率因数接近1，高带宽，限制电网电流失真≤3％。图1是由UC3854A／B控制的有源功率因数校正电路。

    该电路由两部分组成。UC3854A／B及外围元器件构成控制部分，实现对网侧输入电流和输出电压的控制。功率部分由L2，Cs，S等元器件构成Boost升压电路。开关管S选择西门康公司的SKM75GBl23D模块，其工作频率选在35 kHz。升压
电感L2为2mH／20A。C5采用两个450V／470µF的电解电容并联。为了提高电路在功率较小时的效率，所设计的PFC电路在轻载时不进行功率因数校正，当负载较大时功率因数校正电路自动投入使用。此部分控制由图1中的比较器部分来实现。R10及R11是负载检测电阻。当负载较轻时，R10及R11上检测的信号输入给比较器，使其输出端为低电平，D5导通，给ENA(使能端)低电平使UC3854A／B封锁。在负载较大时ENA为高电平才让UC3854A／B工作。D6接到SS(软启动端)，在负载轻时D6导通，使SS为低电平；当负载增大要求UC3854A／B工作时，SS端电位从零缓慢升高，控制输出脉冲占空比慢慢增大实现软启动。

2 主电路及控制电路
2．1 主电路
    反激式电源一般用在100w以下的电路，而本电源设计最大功率达到300w，显然不适合。在功率较大的高频开关电源中，常用的主变换电路有推挽电路、半桥电路、全桥电路等。其中推挽电路用的开关器件少，输出功率大，但开关管承受电压高(为电源电压的2倍)，且变压器有6个抽头，结构复杂；全桥电路开关管承受的电压不高，输出功率大，但需要的开关器件多(4个)，驱动电路复杂；半桥电路开关管承受的电压低，开关器件少，驱动简单。根据对各种拓扑方案的电气性能以及成本等指标的综合比较，本电源选用半桥式DC／DC变换器作为主电路。图2为主电路拓扑图。

    图2中S1、S2、C1、C2和主变压器T1构成了半桥DC／DC变换电路。MOSFET采用11NC380。电路的工作频率为80 kHz。变压器采用E55的铁氧体磁芯，无须加气隙。绕制时采用“三段式”绕法，以减小漏感。R1和R2用以保证电容分压均匀，R3、C3和R4、C4为MOS管两端的吸收电路。C5为隔直电容，用来阻断与不平衡伏秒值成正比的直流分量，平衡开关管每次不相等的伏秒值。C5采用优质CBB无感电容。Ct是电流互感器，作为电流控制时取样用。D3、D4采用快恢复二极管，经过L1和C6、C7平波滤波后输出OUT2给控制芯片供电，Rs、R6则是反馈电压的采样电阻。主变压器的输出OUT3为高频低压交流电。如图2所示，反馈电压和输出电压同一绕组，这样，可以在负载变化时最大限度地保证输出电压的稳定。后级可接一个或多个多路输出的变压器，然后通过整流电路整流，这样既能保证每路输出都是独立的，又可以得到任意大小的电压。故可满足DSP等需要多路不同电压供电且精度较高的要求。

2．2 控制电路
    系统的控制电路采用高速双路的PWM控制器UC3825，其内部电路主要由高频振荡器、PWM比较器、限流比较器、过流比较器、基准电压源、故障锁存器、软启动电路、欠压锁定、PWM锁存器、输出驱动器等组成。它比SG3525具有更多优点：
    1)改进了振荡电路，提高了振荡频率的精度，并且具有更精确的死区控制；
    2)具有限流控制功能，且门槛电流有5％的容差；
    3)低启动电流(100MA)；
    4)UC3825关断比较器是一个高速的过流比较器，它具有1．2v的门槛值，保证芯片重新启动前软启动电容完全放电，在超过门槛值时，输出为低电平状态，防止上下桥臂同时导通而引起短路。图3为主电路的控制电路。

    前级的R808和R809与稳压管构成一个启动电路，触发UC3825开始工作后，由反馈输出OUT1自供电。PWM的调制波由R1和CT振荡产生，RT、CT一般按式(1)及式(2)选取。
    RT=3V/{（10mA）*(1-Dmax)}     (1)

    CT=(1.6*Dmax)/(Rt*f)              (2)
式中：f=80kHz，为所取的频率。

    脚1(INV)、脚2(E／A)和脚3(HI)构成一误差放大器，做为电压反馈用，脚9(ILIM)为限流，脚8(SS)为软启动，脚11(0UTA)及脚14(0UTB)为输出驱动信号。从图3中可看出，UC3825功能比较全，外围电路简单，可有效减少PCB的布线与外围元器件，提高了系统的可靠性。

2．3 驱动电路
    MOSFET的驱动可采用脉冲变压器，它具有体积小，价格低的优点，但直接驱动时，脉冲的前沿与后沿不够陡，影响MOSFET的开关速度。在此，采用了IR2304芯片，它是IR公司新推出的多功能600v高端及低端驱动集成电路，它具有以下优点。

    1)芯片体积小(DIP8)，集成度高(可同时驱动同一桥臂的上、下两只开关器件)。
    2)动态响应快，通断延迟时间220／220 ns(典型值)、内部死区时间1000ns、匹配延迟时间50ns。
    3)驱动能力强，可驱动600v主电路系统，具有61 mA／130mA输出驱动能力，栅极驱动输入电压宽达10～20V。
    4)工作频率高，可支持100 kHz或以下的高频开关。
    5)输入输出同相设计，提供高端和低端独立控制驱动输出，可通过两个兼容3．3v、5v和15v输入逻辑的独立CMOS或LSTFL输入来控制，为设计带来了很大的灵活性。
    6)低功耗设计，坚固耐用且防噪效能高。IR2304采用高压集成电路技术，整合设计既降低成本和简化电路，又降低设计风险和节省电路板的空间，相比于其它分立式、脉冲变压器及光耦解决方案，IR2304更能节省组件数量和空间，并提高可靠性。
    7)具有电源欠压保护和关断逻辑，IR2304有两个非倒相输入及交叉传导保护功能，整合了专为驱动电机的半桥MOSFET或IGBT电路而设的保护功能。当电源电压降至4．7v以下时，欠压锁定(UVL0)功能会立即关掉两个输出，以防止直通电流及器件故障。当电源电压大于5v时则会释放输出(综合滞后一般为0.3v)。过压(HVIC)及防闭锁CMOS技术使IR2304非常坚固耐用。另外，IR2304还配备有大脉冲电流缓冲级，可将交叉传导减至最低；同时采用具有下拉功能的施密特(Sohmill)触发式输入设计，可有效隔绝噪音，以防止器件意外开通。

    如图4所示为IR2304的连线图，

    可以看出，IR2304具有连线简单，外围元器件少的优点。其中VCC由主电路中OUT2自供电，LIN和HIN分别接UC3825的两个输出端，VD要采用快恢复二极管，C1为滤波电容，C2为自举电容，最好采用性能好的钽电容，R1和R2为限流电阻。

2.4 保护电路设计
    对于DC／DC电源产品都要求在出现异常情况(如过流、过载)时，系统的保护电路工作，使变换器及时停止工作。UC3825的保护电路设计也比较简单，如图5所示，

    通过电流互感器得到的采样电流，经过转换后送到UC3825脚9(ILJIM)，当电流超过预定值时，UC3825自动封锁输出脉冲，起到保护作用。

3 实验结果及波形
    图6～图9为样机的部分实验波形。

4 结语
    所制作的工程样机，已经通过性能测试。该系统采用UC3854A／B控制芯片组成功率因数校正电路，在轻载时不工作，有利于提高效率，在重载时电路自动投入工作，提高了大功率时的功率因数。主电路控制采用了新型的芯片UC3825，具有有容差过压限流功能，而且外围电路简单，稳定性好，还采用了新型的动态响应快，驱动能力强，工作频率高的IR2304作为驱动芯片，具有电源欠压保护和关断逻辑功能，与以前的电源相比，只增加了有限的成本，但系统的稳定性大大提高了，频率的精度提高了，输出电压更稳定，当负载由最轻至300W变化时，输出电压变化<1％。变压器输出既可在主变压器上采用多抽头，也可接二级变压器来得到不同电压的独立输出。