移相式零電壓軟開關變換器與UC3875的應用

摘要：介紹開關電源的發展過程及其主要發展方向，著重介紹移相式軟開關變換器的工作原理和工作過程，以及UC3875的應用。

關 鍵 詞 ： 軟 開 關 諧 振 變 換 器 移 相 式 零 電 壓 變 換 器

The Application of Phsae? shifting ZVS Soft? switching Converter And UC3875

Abstract: The course and the trend of development of swithing power supply are introduced in this paper.The principle and the process of phase? shifting soft switching converter and application of UC3875 are analyzed emphatically.

Keywords: Soft? switching, Resonant converter, Phase? shifting zero voltage converter

中圖法分類號：TN86文獻標識碼：A文章編號：0219?2713(2000)11?569?03

1引言

從傳統的線性電源到目前的開關電源，尤其從70年代以來大規模集成電路技術的發展，使開關電源有了質的飛躍，從而在電源產品中掀起了一股高頻化、小型化、模塊化的浪潮。目前，開關電源的體積主要還是由電容、電感和變壓器等儲能元件決定，因而開關電源的小型化，實質上就是一個減小儲能元件體積的過程。在一定頻率范圍之內，開關頻率的提高，不僅能有效地減小電容、電感和變壓器的體積，還能抑制干擾，改善系統的動態性能，因而，高頻化是開關電源的主要發展方向。

開關電源出現之后，最流行的是硬開關變換器，但由于開關管在導通和關斷過程中損耗，隨開關頻率的提高而增大，因此硬開關變換器限制了開關電源頻率的提高，同時電路中的寄生電感和寄生電容在高頻時產生嚴重的電壓尖峰和浪涌電流，如圖1所示。

為了實現開關變換器的高頻化需要著重解決的問題是實現零電壓或零電流開關，以減小開關損耗，盡可能減小開關浪涌，為此先后出現了諧振變換器，但是諧振變換器是通過頻率調制的，為了在輸入電壓和負載變化范圍內調節輸出電壓，必須要求很寬的開關頻率范圍，這就使得濾波器的優化設計十分困難，使磁性元件的利用率減小，因此高頻開關變換器主要發展途徑是諧振型和PWM技術的結合，即軟開關PWM技術。利用諧振的形式使開關過程“軟化”，完成開關過渡之后，變換器按PWM型式運行，使環路能量比諧振變換器小得多，而開關損耗降低了，所以它是一種性能優良的軟開關變換器，移相式零電壓軟開關電路就是其中一種。

2移相式零電壓軟開關變換器的工作原理

圖2為移相式零電壓軟開關變換器原理圖，圖中LR由兩部分組成，一是外加諧振電感；二是變壓器的漏感，CR由變壓器的寄生電容和外加電容組成。

移相式零電壓軟開關管變換器中每只開關管具有相同寬度的驅動脈沖，通過移相錯位控制有源時間，從而達到穩定輸出電壓的目的。當一個開關管關斷時，變壓器的初級電流給關斷的開關管的并聯電容充電，同時使同一橋臂即將開通的開關管的并聯電容放電，當關斷的開關管并聯電容充到電源電壓時，即將開通的開關管反并聯二極管自然導通，這時開通開關管，則該管就是零電壓開通。而開關管在關斷時，由于它有并聯電容，這樣開關管是零電壓關斷，因此在這種移相式控制方式下，開關管是在零電壓下開關的，其驅動波形如圖3所示：

圖中陰影部分為傳輸能量的有源時間，固定SA、SB的相位，移動SD、SC的相位，即可達到調整有源時間的目的，這樣SD（SC）開通時，SA（SB）未導通，沒有電流流過，SD（SC）沒有開通損耗，僅SA（SB）有；SD（SC）關斷時，SA（SB）未關斷，SA（SB）漏源極無電壓變化，沒有開通損耗，僅SD（SC）有。

圖1開關時的電壓尖峰和浪涌電流

（a）導通過程（b）關斷過程

（c）導通過程對應電流波形（d）關斷過程對應電壓波形

圖2移相式零電壓軟開關變換器電路圖

圖3驅動波形圖

圖4管腳示意圖

3移相式零電壓軟開關變換器電路的優點

移相式零電壓軟開關變換器電路是在吸收了傳統PWM變換器和諧振變換器的優點，克服了它們的不足之后發展起來的一種新型控制方式，它有以下幾個優點：

（1）功率管實現軟開關，減小了開關損耗，因此開關頻率可以大大提高。由于功耗的減小，可以減小散熱器的體積，頻率的提高可以減小變壓器及濾波器的體積，有利于電源的小型化、輕量化。

（2）功率管軟開關改善了導通和關斷時電壓波形，使開通和關斷沿的尖峰減小，這樣便減小了電磁干擾和射頻干擾，使得設備的電磁兼容設計壓力減小。在航空領域內電磁兼容性設計是一個重要的考核指標，而電源的電磁兼容性設計又是一個比較復雜的問題，當采用移相式零電壓軟開關電路時，電磁兼容問題就比較容易解決。

（3）功率管電壓電流應力小，這樣不僅減小了損耗，而且提高了電源的效率，更加有利于提高功率管的使用壽命和可靠性。

4UC3875的應用

Unitrode公司的UC3875，它有4個獨立的輸出驅動端可以直接驅動四只功率MOSFET管，見圖4，其中OUTA和OUTB相位相反，OUTC和OUTD相位相反，而OUTC和OUTD相對于OUTA和OUTB的相位θ是可調的，也正是通過調節θ的大小來進行PWM控制的。

4．1UC3875的管腳功能

UC3875有20腳和28腳兩種，這里僅介紹20腳的UC3875的管腳功能，表1為管腳功能簡要說明。

表1

4．2UC3875各個管腳的使用說明

管腳1可輸出精確的5V基準電壓，其電流可以達到60mA。當VIN比較低時，芯片進入欠壓鎖定狀態VREF消失。直到VREF達到4.75V以上時才脫離欠壓鎖定狀態。最好的辦法是接一個0.1μF旁路電容到信號地。

管腳2為電壓反饋增益控制端，當誤差放大器的輸出電壓低于1V時實現0°相移。

管腳3為誤差放大器的反相輸入端，該腳通常利用分壓電阻檢測輸出電源電壓。

管腳4為誤差放大器的同相輸入端，該腳與基準電壓相連，以檢測E/A（－）端的輸出電源電壓。

管腳5為電流檢測端，該腳為電流故障比較器的同相輸入端，其基準設置為內部固定2.5V（由VREF分壓）。當該腳的電壓超過2.5V時電流故障動作，輸出被關斷，軟起動復位，此腳可實現過流保護。

管腳6為軟起動端，當輸入電壓（VIN）低于欠壓鎖定閾值（10.75V）時，該腳保持地電平，當VIN正常時該腳通過內部9μA電流源上升到4.8V，如果出現電流故障時該腳電壓從4.8V下降到0V，此腳可實現過壓保護。

管腳7、15為輸出延遲控制端，通過設置該腳到地之間的電流來設置死區，加于同一橋臂兩管驅動脈沖之間，以實現兩管零電壓開通時的瞬態時間，兩個半橋死區可單獨提供以滿足不同的瞬態時間。

管腳14、13、9、8為輸出OUTA～OUTD端，該腳為2A的圖騰柱輸出，可驅動MOSFET和變壓器。

管腳10為電源電壓端，該腳提供輸出級所需電源，Vcc通常接3V以上電源，最佳為12V。此腳應接一旁路電容到電源地。

管腳11為芯片供電電源端，該腳提供芯片內部數字、模擬電路部分的電源，接于12V穩壓電源。為保證芯片正常工作，在該腳電壓低于欠壓鎖定閾值（10.75V）時停止工作。此腳應接一旁路電容到信號地。

當電源電壓超過欠壓鎖定閾值時，電源電流（IIN）從100μA猛增到20mA。如果接一旁路電容，它就很快脫離欠壓鎖定狀態。

管腳12為電源地端。其它相關的阻容網絡與之并聯，電源地和信號地應一點接地以降低噪聲和直流降落。

管腳16為頻率設置端，該腳與地之間通過一個電阻和電容來設置振蕩頻率，具體計算公式為：

f=4/（RfCf）

管腳17為時鐘/同步端，作為輸出，提供時鐘信號；作為輸入，該腳提供一個同步點。最簡單的用法是：具有不同振蕩頻率的多個UC3875可通過連接其同步端，使它們同步工作于最高頻率。該腳也可使其同步工作于外部時鐘頻率，但外部時鐘頻率需大于芯片的時鐘頻率。

管腳18為陡度端，該腳接一個電阻Rs將產生電流以形成斜波，連接這個電阻到輸入電壓將提供電壓反饋。

管腳19為斜波端，該腳是PWM比較器的一個輸入端，可通過一個電容CR連接到地，電壓以下式陡度建立：

dv/dt=Vs/(RsCR)

該腳可通過很少的器件實現電流方式控制，同時提供陡度補償。

管腳20為信號地端，GND是所有電壓的參考基準。頻率設置端（FREQSET）的振蕩電容(Cf)，基準電壓（VREF）端的旁路電容和VIN的旁路電容以及RAMP端斜波電容(CR)都應就近可靠地接于信號地。

5結語

移相式零電壓軟開關變換器和控制芯片UC3875的合理使用，使得所設計的開關電源具有高頻、高效、體積小和輕量化的特點，因此這種軟開關電路在機載計算機電源中有著廣泛應用前景。

參考文獻

1 Vovel Full Zero? Voltage? Transition PWM DC/DC Converter for High Power Applications.IEEE 1991

2 Optimum ZVS Full? Bridge DC/DC Converter with PWM Phase? shift Control Analysis design Considerations and Experimental Results.IEEE 1994

3 Phase shift resonant controller UC1875/6/7/9

4 Phase shift Zero voltage transition design consideration and the UC3875 PWM controller

5 digital control of a ZVS full? bridge DC/DC converter.IEEE 1995

6 A comparative study of a class of full? bridge zero? voltage? switch PWM converter. IEEE 1996

7 Phase? shift Zero? voltage switch made easy electronic design.1996

8葉慧貞,楊興洲編著.開關穩壓電源.國防工業出版社，1990

9趙效敏.開關電源的設計與應用.上海科學普及出版社1995

10謝軍賢.軟開關變換器在機載計算機電源中的應用.電源世界,1999(6)