可多路獨立供電的半橋DC/DC變換器的設計

介紹了一種功率較大的可多路獨立供電的半橋DC/DC變換器。采用了有源功率因數校正技術以實現系統的高功率因數。DC／DC主電路采用高速雙路PWM芯片UC3825控制的半橋變換器，并且采用了動態響應快，驅動能力強，工作頻率高的IR2304作為MOSFET的驅動芯片。
關鍵詞：半橋變換器；UC3825；功率因數校正；IR2304；多路；獨立

0 引言
??? 隨著電力電子技術的發展，電源技術被廣泛應用于各個行業。對電源的要求也各有不同。本文介紹了一種功率較大，多路輸出(20路及以上)并且相互獨立的開關電源。

??? 設計采用了AC／DC／AC／DC變換方案。一次整流后的直流電壓，經過有源功率因數校正環節以提高系統的功率因數，再經半橋變換電路逆變后，由高頻變壓器隔離降壓，最后整流輸出直流電壓。系統的主要環節為有源功率因數校正電路、DC／DC電路、功率因數校正電路、PWM控制電路和保護電路等。采用UC3854A／B控制芯片組成功率因數校正電路來提高功率因數，用新型的芯片UC3825作為控制芯片來代替SG3525，不僅外圍電路簡單，而且具有有容差過壓限流功能，還采用了新型IR2304作為驅動芯片，動態響應快，且自帶死區，防止半橋上下管直通。

1 有源功率因數校正電路
??? 為了提高系統的功率因數，整流環節不能采用二極管整流，采用了UC3854A／B控制芯片組成功率因數校正電路。UC3854A／B是Unitrode公司一種新的高功率因數校正器集成控制電路芯片，是在UC3854基礎上的改進，其特點是采用平均電流控制，功率因數接近1，高帶寬，限制電網電流失真≤3％。圖1是由UC3854A／B控制的有源功率因數校正電路。

UC3854A/UC3854B控制的有源功率因數校正電路

??? 該電路由兩部分組成。UC3854A／B及外圍元器件構成控制部分，實現對網側輸入電流和輸出電壓的控制。功率部分由L2，Cs，S等元器件構成Boost升壓電路。開關管S選擇西門康公司的SKM75GBl23D模塊，其工作頻率選在35 kHz。升壓
電感L2為2mH／20A。C5采用兩個450V／470μF的電解電容并聯。為了提高電路在功率較小時的效率，所設計的PFC電路在輕載時不進行功率因數校正，當負載較大時功率因數校正電路自動投入使用。此部分控制由圖1中的比較器部分來實現。R10及R11是負載檢測電阻。當負載較輕時，R10及R11上檢測的信號輸入給比較器，使其輸出端為低電平，D5導通，給ENA(使能端)低電平使UC3854A／B封鎖。在負載較大時ENA為高電平才讓UC3854A／B工作。D6接到SS(軟啟動端)，在負載輕時D6導通，使SS為低電平；當負載增大要求UC3854A／B工作時，SS端電位從零緩慢升高，控制輸出脈沖占空比慢慢增大實現軟啟動。

2 主電路及控制電路
2．1 主電路
??? 反激式電源一般用在100w以下的電路，而本電源設計最大功率達到300w，顯然不適合。在功率較大的高頻開關電源中，常用的主變換電路有推挽電路、半橋電路、全橋電路等。其中推挽電路用的開關器件少，輸出功率大，但開關管承受電壓高(為電源電壓的2倍)，且變壓器有6個抽頭，結構復雜；全橋電路開關管承受的電壓不高，輸出功率大，但需要的開關器件多(4個)，驅動電路復雜；半橋電路開關管承受的電壓低，開關器件少，驅動簡單。根據對各種拓撲方案的電氣性能以及成本等指標的綜合比較，本電源選用半橋式DC／DC變換器作為主電路。圖2為主電路拓撲圖。

??? 圖2中S1、S2、C1、C2和主變壓器T1構成了半橋DC／DC變換電路。MOSFET采用11NC380。電路的工作頻率為80 kHz。變壓器采用E55的鐵氧體磁芯，無須加氣隙。繞制時采用“三段式”繞法，以減小漏感。R1和R2用以保證電容分壓均勻，R3、C3和R4、C4為MOS管兩端的吸收電路。C5為隔直電容，用來阻斷與不平衡伏秒值成正比的直流分量，平衡開關管每次不相等的伏秒值。C5采用優質CBB無感電容。Ct是電流互感器，作為電流控制時取樣用。D3、D4采用快恢復二極管，經過L1和C6、C7平波濾波后輸出OUT2給控制芯片供電，Rs、R6則是反饋電壓的采樣電阻。主變壓器的輸出OUT3為高頻低壓交流電。如圖2所示，反饋電壓和輸出電壓同一繞組，這樣，可以在負載變化時最大限度地保證輸出電壓的穩定。后級可接一個或多個多路輸出的變壓器，然后通過整流電路整流，這樣既能保證每路輸出都是獨立的，又可以得到任意大小的電壓。故可滿足DSP等需要多路不同電壓供電且精度較高的要求。

2．2 控制電路
??? 系統的控制電路采用高速雙路的PWM控制器UC3825，其內部電路主要由高頻振蕩器、PWM比較器、限流比較器、過流比較器、基準電壓源、故障鎖存器、軟啟動電路、欠壓鎖定、PWM鎖存器、輸出驅動器等組成。它比SG3525具有更多優點：
??? 1)改進了振蕩電路，提高了振蕩頻率的精度，并且具有更精確的死區控制；
??? 2)具有限流控制功能，且門檻電流有5％的容差；
??? 3)低啟動電流(100MA)；
??? 4)UC3825關斷比較器是一個高速的過流比較器，它具有1．2v的門檻值，保證芯片重新啟動前軟啟動電容完全放電，在超過門檻值時，輸出為低電平狀態，防止上下橋臂同時導通而引起短路。圖3為主電路的控制電路。

??? 前級的R808和R809與穩壓管構成一個啟動電路，觸發UC3825開始工作后，由反饋輸出OUT1自供電。PWM的調制波由R1和CT振蕩產生，RT、CT一般按式(1)及式(2)選取。
??? RT=3V/{（10mA）*(1-Dmax)}???? (1)

??? CT=(1.6*Dmax)/(Rt*f)???????? ???? (2)
式中：f=80kHz，為所取的頻率。

??? 腳1(INV)、腳2(E／A)和腳3(HI)構成一誤差放大器，做為電壓反饋用，腳9(ILIM)為限流，腳8(SS)為軟啟動，腳11(0UTA)及腳14(0UTB)為輸出驅動信號。從圖3中可看出，UC3825功能比較全，外圍電路簡單，可有效減少PCB的布線與外圍元器件，提高了系統的可靠性。

2．3 驅動電路
??? MOSFET的驅動可采用脈沖變壓器，它具有體積小，價格低的優點，但直接驅動時，脈沖的前沿與后沿不夠陡，影響MOSFET的開關速度。在此，采用了IR2304芯片，它是IR公司新推出的多功能600v高端及低端驅動集成電路，它具有以下優點。

??? 1)芯片體積小(DIP8)，集成度高(可同時驅動同一橋臂的上、下兩只開關器件)。
??? 2)動態響應快，通斷延遲時間220／220 ns(典型值)、內部死區時間1000ns、匹配延遲時間50ns。
??? 3)驅動能力強，可驅動600v主電路系統，具有61 mA／130mA輸出驅動能力，柵極驅動輸入電壓寬達10～20V。
??? 4)工作頻率高，可支持100 kHz或以下的高頻開關。
??? 5)輸入輸出同相設計，提供高端和低端獨立控制驅動輸出，可通過兩個兼容3．3v、5v和15v輸入邏輯的獨立CMOS或LSTFL輸入來控制，為設計帶來了很大的靈活性。
??? 6)低功耗設計，堅固耐用且防噪效能高。IR2304采用高壓集成電路技術，整合設計既降低成本和簡化電路，又降低設計風險和節省電路板的空間，相比于其它分立式、脈沖變壓器及光耦解決方案，IR2304更能節省組件數量和空間，并提高可靠性。
??? 7)具有電源欠壓保護和關斷邏輯，IR2304有兩個非倒相輸入及交叉傳導保護功能，整合了專為驅動電機的半橋MOSFET或IGBT電路而設的保護功能。當電源電壓降至4．7v以下時，欠壓鎖定(UVL0)功能會立即關掉兩個輸出，以防止直通電流及器件故障。當電源電壓大于5v時則會釋放輸出(綜合滯后一般為0.3v)。過壓(HVIC)及防閉鎖CMOS技術使IR2304非常堅固耐用。另外，IR2304還配備有大脈沖電流緩沖級，可將交叉傳導減至最低；同時采用具有下拉功能的施密特(Sohmill)觸發式輸入設計，可有效隔絕噪音，以防止器件意外開通。

??? 如圖4所示為IR2304的連線圖，

??? 可以看出，IR2304具有連線簡單，外圍元器件少的優點。其中VCC由主電路中OUT2自供電，LIN和HIN分別接UC3825的兩個輸出端，VD要采用快恢復二極管，C1為濾波電容，C2為自舉電容，最好采用性能好的鉭電容，R1和R2為限流電阻。

2.4 保護電路設計
??? 對于DC／DC電源產品都要求在出現異常情況(如過流、過載)時，系統的保護電路工作，使變換器及時停止工作。UC3825的保護電路設計也比較簡單，如圖5所示，

??? 通過電流互感器得到的采樣電流，經過轉換后送到UC3825腳9(ILJIM)，當電流超過預定值時，UC3825自動封鎖輸出脈沖，起到保護作用。

3 實驗結果及波形
??? 圖6～圖9為樣機的部分實驗波形。

4 結語
??? 所制作的工程樣機，已經通過性能測試。該系統采用UC3854A／B控制芯片組成功率因數校正電路，在輕載時不工作，有利于提高效率，在重載時電路自動投入工作，提高了大功率時的功率因數。主電路控制采用了新型的芯片UC3825，具有有容差過壓限流功能，而且外圍電路簡單，穩定性好，還采用了新型的動態響應快，驅動能力強，工作頻率高的IR2304作為驅動芯片，具有電源欠壓保護和關斷邏輯功能，與以前的電源相比，只增加了有限的成本，但系統的穩定性大大提高了，頻率的精度提高了，輸出電壓更穩定，當負載由最輕至300W變化時，輸出電壓變化<1％。變壓器輸出既可在主變壓器上采用多抽頭，也可接二級變壓器來得到不同電壓的獨立輸出。