次級控制的單端正激變換器??

摘要：對比了初級控制的單端拓撲與次級控制的半橋拓撲的異同，給出了次級控制的單端正激變換器拓撲。并介紹了一個由初級啟動控制器UCC3960實現的實際電路及其實驗結果。

關鍵詞：單端正激變換；初級控制；次級控制；啟動控制器；脈沖邊緣傳輸

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0??? 引言

??? 近幾年來，隨著電子及信息產業進一步向小型化、智能化發展，電源在這些產品中的地位越來越重要。開關電源以其體積小、重量輕、效率高得到了越來越廣泛的應用。隨著電子及信息產品性能指標的提高，與之配套的開關電源也出現了一些引人注目的變化。

??? 新一代CPU，大規模集成電路中的邏輯電平越來越低，已從3.3V向2.5V，1.8V甚至1.5V，1.2V過渡，這就使傳統的次級高頻整流采用肖特基二極管方式的開關電源的效率不能適應這一變化。雖然，同步整流技術解決了這一問題，但其驅動方式，在廣泛應用于小功率開關電源中的，單端反激和單端正激拓撲中實現起來較為復雜。

??? 低壓的CPU或大規模集成電路中的供電電流都很大，如果用單一電源供電，電源的成本會大大提高，系統的可靠性也會大大降低。最佳的方案是采用N＋1冗余供電方式，這就要求單個開關電源有均流功能。在通信電源等大功率系統中，均流技術已得到廣泛應用，但在單端變換器組成的小功率系統中，實現均流是有一定難度的。

??? 電子產品的智能化也要求開關電源智能化，如電源要有與CPU或微控制器的接口，接受信號以控制開/關電源，改變輸出電壓的大小等。

??? 廣泛應用的小功率單端（含反激和正激式）開關電源，由于其PWM控制器位于初級，很難實現上述功能。人們尋求一種新的電路拓撲使其既有上述新的功能，又保持傳統單端拓撲的簡單、廉價的特點，因而，一種次級控制的單端開關電源得到了應用。

1??? 拓撲回顧

??? 目前，廣泛應用的開關電源拓撲主要有單端反激式、單端正激式、半橋式、全橋式、推挽式等類型。如果以PWM控制器位于主變壓器的初、次級來分，則有初級控制的單端反激式、單端正激式；次級控制的半橋式、全橋式、推挽式。

??? 下面以單端正激式與半橋式拓撲為代表，討論初級控制與次級控制的異同點。

??? 初級控制單端正激式如圖1所示。次級控制半橋式如圖2所示。對比圖1和圖2兩個電路，可知二者有以下不同。

圖1??? 初級控制單端正激式

圖2??? 次級控制半橋式

??? 1）啟動和供電??? 圖1電路中，輸入電源經R啟動控制器，在系統正常后，則由輔助繞組為控制器供電。圖2電路需要專用的輔助電源。輔助電源可以是通過工頻變壓器降壓整流后帶三端穩壓器，也可以是另一個小功率的單端式開關電源。

??? 2）驅動??? 圖1電路由控制器直接驅動開關管。圖2電路由柵極驅動變壓器驅動。

??? 3）取樣及反饋??? 圖1電路中輸出取樣經光耦隔離后送入控制器。圖2電路中輸出取樣直接送入控制器。

??? 圖2電路由于控制器位于次級，電源輸出性能好，易于與微控制器接口，實現智能化，但需要一個獨立的輔助電源，因而，適合用于功率較大的系統。圖1電路的最大特點是簡單、廉價，因而，適合用于功率較小的場合。

2??? 次級控制的單端正激式拓撲

??? 為了進一步提高小功率開關電源的性能，人們研究將控制器置于次級，并保持單端電路簡單特點的一種新型拓撲型式。這個拓撲的根本出發點是不要輔助電源，由于控制器位于次級，要解決電源的啟動問題，還須解決初級開關管的驅動及隔離問題。圖3的拓撲可以實現上述要求。

??? 圖3的電路中，應用了TI公司最新開發的初級啟動及控制器UCC3960，它專用于次級控制的單端正激或反激式變換器。它具有一個啟動振蕩器，當通過啟動電阻施加電源后，即可使圖3電路開始工作；在次級控制器正常工作后，啟動振蕩器的工作頻率被次級控制器同步，其占空比也受次級反饋信號的控制，產生驅動初級開關管的驅動信號。UCC3960還有相應的保護電路，UCC3960的腳3外接電阻決定啟動振蕩器的工作頻率，該頻率要略高于次級控制器的工作頻率。UCC3960的工作原理詳見參考文獻[1][2]。

??? 圖3的電路次級應用了單端有源嵌位PWM控制器UCC3580-3。UCC3580-3具有互補的輸出控制，非常適用于同步整流的低電壓輸出，UCC3580-3的UUTI端除了驅動次級整流管MOS外，還將驅動脈沖邊緣變化信息取出，作為占空比變化的信號，反饋至UCC3960，經處理后驅動初級開關管。UCC3580的工作原理詳見參考文獻[3]。當然其它PWM控制器，如UC3842系列，SG3525，UC3824（也適用于同步整流）等控制芯片也可用于圖3的電路。

圖3??? 次級控制的單端正激變換器的原理框圖

3??? 實驗電路及試驗結果

??? 圖4是由UCC3960及UCC3580－3組成的，次級控制的50W單端正激變換器的實際電路。圖4中主變壓器除了初級繞組和次級繞組外，還有另外兩個輔助繞組，分別為UCC3960及UCC3580供電。電路的初級及次級的啟動過程如圖5所示。它可以分為4個階段：

圖4??? 50W單端正激變換器

(a)??? 占空比與時間的關系

(b)??? 次級偏壓與時間的關系

圖5??? 啟動時序

??? 階段1??? 當電源接通后，電源電壓經啟動電阻R₁對電容C₁充電，此時，UCC3960及UCC3580-3均不工作；

??? 階段2??? 電容C₁的電壓達到UCC3960的啟動電壓時，UCC3960進入軟啟動狀態，偏置繞組對C₂及C₃充電，此時，UCC3580-3不工作；

??? 階段3??? 電容C₃上的電壓達到UCC3580-3的啟動電壓時，UCC3580-3進入軟啟動狀態；

??? 階段4??? UCC3580-3軟啟動結束，UCC3960及UCC3580-3同時進入工作狀態，系統進入閉環。

??? 在這4個階段中，如果初級偏壓建立不起來或發生初級過流，則UCC3960進入重復啟動的斷續工作狀態。

??? 圖4中的隔離及驅動變壓器，它將UCC3580-3的腳4的脈沖上升及下降沿的信息傳送到UCC3960的腳2，上升沿導通初級的開關管，下降沿關斷初級的開關管。由于只取變化的信號，所以驅動變壓器磁芯的截面積及線圈電感均很小，本例中的驅動變壓器參數為：初次級匝數比4∶4，電感量5.4μH；電容對次級驅動方波微分，以取出邊沿信號；為了防止噪聲干擾，初次級加了較大的阻尼，線圈的Q值為0.25。

??? 本電路的輸出紋波為30mV_P-P。其效率在輸出15A時為79％。

4??? 結語

??? 基于UCC3960及UCC3580－3的次級控制的單端正激變換器，提出了一種新的電路拓撲。這種拓撲可使開關電源同供電的系統及微控制器通信，以適應電子產品智能化的要求。