次级控制的单端正激变换器
次级控制的单端正激变换器
摘要：对比了初级控制的单端拓扑与次级控制的半桥拓扑的异同，给出了次级控制的单端正激变换器拓扑。并介绍了一个由初级启动控制器ucc3960实现的实际电路及其实验结果。
关键词：单端正激变换；初级控制；次级控制；启动控制器；脉冲边缘传输
0 引言
近几年来，随着电子及信息产业进一步向小型化、智能化发展，电源在这些产品中的地位越来越重要。开关电源以其体积小、重量轻、效率高得到了越来越广泛的应用。随着电子及信息产品性能指标的提高，与之配套的开关电源也出现了一些引人注目的变化。
新一代cpu，大规模集成电路中的逻辑电平越来越低，已从3.3v向2.5v，1.8v甚至1.5v，1.2v过渡，这就使传统的次级高频整流采用肖特基二极管方式的开关电源的效率不能适应这一变化。虽然，同步整流技术解决了这一问题，但其驱动方式，在广泛应用于小功率开关电源中的，单端反激和单端正激拓扑中实现起来较为复杂。
低压的cpu或大规模集成电路中的供电电流都很大，如果用单一电源供电，电源的成本会大大提高，系统的可靠性也会大大降低。最佳的方案是采用n＋1冗余供电方式，这就要求单个开关电源有均流功能。在通信电源等大功率系统中，均流技术已得到广泛应用，但在单端变换器组成的小功率系统中，实现均流是有一定难度的。
电子产品的智能化也要求开关电源智能化，如电源要有与cpu或微控制器的接口，接受信号以控制开/关电源，改变输出电压的大小等。
广泛应用的小功率单端（含反激和正激式）开关电源，由于其pwm控制器位于初级，很难实现上述功能。人们寻求一种新的电路拓扑使其既有上述新的功能，又保持传统单端拓扑的简单、廉价的特点，因而，一种次级控制的单端开关电源得到了应用。
1 拓扑回顾
目前，广泛应用的开关电源拓扑主要有单端反激式、单端正激式、半桥式、全桥式、推挽式等类型。如果以pwm控制器位于主变压器的初、次级来分，则有初级控制的单端反激式、单端正激式；次级控制的半桥式、全桥式、推挽式。
下面以单端正激式与半桥式拓扑为代表，讨论初级控制与次级控制的异同点。
初级控制单端正激式如图1所示。次级控制半桥式如图2所示。对比图1和图2两个电路，可知二者有以下不同。
图1 初级控制单端正激式 图2 次级控制半桥式 1）启动和供电 图1电路中，输入电源经r启动控制器，在系统正常后，则由辅助绕组为控制器供电。图2电路需要专用的辅助电源。辅助电源可以是通过工频变压器降压整流后带三端稳压器，也可以是另一个小功率的单端式开关电源。 2）驱动 图1电路由控制器直接驱动开关管。图2电路由栅极驱动变压器驱动。 3）取样及反馈 图1电路中输出取样经光耦隔离后送入控制器。图2电路中输出取样直接送入控制器。 图2电路由于控制器位于次级，电源输出性能好，易于与微控制器接口，实现智能化，但需要一个独立的辅助电源，因而，适合用于功率较大的系统。图1电路的最大特点是简单、廉价，因而，适合用于功率较小的场合。 2 次级控制的单端正激式拓扑 为了进一步提高小功率开关电源的性能，人们研究将控制器置于次级，并保持单端电路简单特点的一种新型拓扑型式。这个拓扑的根本出发点是不要辅助电源，由于控制器位于次级，要解决电源的启动问题，还须解决初级开关管的驱动及隔离问题。图3的拓扑可以实现上述要求。 图3的电路中，应用了ti公司最新开发的初级启动及控制器ucc3960，它专用于次级控制的单端正激或反激式变换器。它具有一个启动振荡器，当通过启动电阻施加电源后，即可使图3电路开始工作；在次级控制器正常工作后，启动振荡器的工作频率被次级控制器同步，其占空比也受次级反馈信号的控制，产生驱动初级开关管的驱动信号。ucc3960还有相应的保护电路，ucc3960的脚3外接电阻决定启动振荡器的工作频率，该频率要略高于次级控制器的工作频率。ucc3960的工作原理详见参考文献[1][2]。 图3的电路次级应用了单端有源嵌位pwm控制器ucc3580-3。ucc3580-3具有互补的输出控制，非常适用于同步整流的低电压输出，ucc3580-3的uuti端除了驱动次级整流管mos外，还将驱动脉冲边缘变化信息取出，作为占空比变化的信号，反馈至ucc3960，经处理后驱动初级开关管。ucc3580的工作原理详见参考文献[3]。当然其它pwm控制器，如uc3842系列，sg3525，uc3824（也适用于同步整流）等控制芯片也可用于图3的电路。
图3 次级控制的单端正激变换器的原理框图 3 实验电路及试验结果 图4是由ucc3960及ucc3580－3组成的，次级控制的50w单端正激变换器的实际电路。图4中主变压器除了初级绕组和次级绕组外，还有另外两个辅助绕组，分别为ucc3960及ucc3580供电。电路的初级及次级的启动过程如图5所示。它可以分为4个阶段： 图4 50w单端正激变换器 (a) 占空比与时间的关系 (b) 次级偏压与时间的关系 图5 启动时序
阶段1 当电源接通后，电源电压经启动电阻r1对电容c1充电，此时，ucc3960及ucc3580-3均不工作； 阶段2 电容c1的电压达到ucc3960的启动电压时，ucc3960进入软启动状态，偏置绕组对c2及c3充电，此时，ucc3580-3不工作； 阶段3 电容c3上的电压达到ucc3580-3的启动电压时，ucc3580-3进入软启动状态； 阶段4 ucc3580-3软启动结束，ucc3960及ucc3580-3同时进入工作状态，系统进入闭环。 在这4个阶段中，如果初级偏压建立不起来或发生初级过流，则ucc3960进入重复启动的断续工作状态。 图4中的隔离及驱动变压器，它将ucc3580-3的脚4的脉冲上升及下降沿的信息传送到ucc3960的脚2，上升沿导通初级的开关管，下降沿关断初级的开关管。由于只取变化的信号，所以驱动变压器磁芯的截面积及线圈电感均很小，本例中的驱动变压器参数为：初次级匝数比4∶4，电感量5.4μh；电容对次级驱动方波微分，以取出边沿信号；为了防止噪声干扰，初次级加了较大的阻尼，线圈的q值为0.25。 本电路的输出纹波为30mvp-p。其效率在输出15a时为79％。
4 结语 基于ucc3960及ucc3580－3的次级控制的单端正激变换器，提出了一种新的电路拓扑。这种拓扑可使开关电源同供电的系统及微控制器通信，以适应电子产品智能化的要求。
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图1 初级控制单端正激式 图2 次级控制半桥式 1）启动和供电 图1电路中，输入电源经r启动控制器，在系统正常后，则由辅助绕组为控制器供电。图2电路需要专用的辅助电源。辅助电源可以是通过工频变压器降压整流后带三端稳压器，也可以是另一个小功率的单端式开关电源。 2）驱动 图1电路由控制器直接驱动开关管。图2电路由栅极驱动变压器驱动。 3）取样及反馈 图1电路中输出取样经光耦隔离后送入控制器。图2电路中输出取样直接送入控制器。 图2电路由于控制器位于次级，电源输出性能好，易于与微控制器接口，实现智能化，但需要一个独立的辅助电源，因而，适合用于功率较大的系统。图1电路的最大特点是简单、廉价，因而，适合用于功率较小的场合。 2 次级控制的单端正激式拓扑 为了进一步提高小功率开关电源的性能，人们研究将控制器置于次级，并保持单端电路简单特点的一种新型拓扑型式。这个拓扑的根本出发点是不要辅助电源，由于控制器位于次级，要解决电源的启动问题，还须解决初级开关管的驱动及隔离问题。图3的拓扑可以实现上述要求。 图3的电路中，应用了ti公司最新开发的初级启动及控制器ucc3960，它专用于次级控制的单端正激或反激式变换器。它具有一个启动振荡器，当通过启动电阻施加电源后，即可使图3电路开始工作；在次级控制器正常工作后，启动振荡器的工作频率被次级控制器同步，其占空比也受次级反馈信号的控制，产生驱动初级开关管的驱动信号。ucc3960还有相应的保护电路，ucc3960的脚3外接电阻决定启动振荡器的工作频率，该频率要略高于次级控制器的工作频率。ucc3960的工作原理详见参考文献[1][2]。 图3的电路次级应用了单端有源嵌位pwm控制器ucc3580-3。ucc3580-3具有互补的输出控制，非常适用于同步整流的低电压输出，ucc3580-3的uuti端除了驱动次级整流管mos外，还将驱动脉冲边缘变化信息取出，作为占空比变化的信号，反馈至ucc3960，经处理后驱动初级开关管。ucc3580的工作原理详见参考文献[3]。当然其它pwm控制器，如uc3842系列，sg3525，uc3824（也适用于同步整流）等控制芯片也可用于图3的电路。
图3 次级控制的单端正激变换器的原理框图 3 实验电路及试验结果 图4是由ucc3960及ucc3580－3组成的，次级控制的50w单端正激变换器的实际电路。图4中主变压器除了初级绕组和次级绕组外，还有另外两个辅助绕组，分别为ucc3960及ucc3580供电。电路的初级及次级的启动过程如图5所示。它可以分为4个阶段： 图4 50w单端正激变换器 (a) 占空比与时间的关系 (b) 次级偏压与时间的关系 图5 启动时序
阶段1 当电源接通后，电源电压经启动电阻r1对电容c1充电，此时，ucc3960及ucc3580-3均不工作； 阶段2 电容c1的电压达到ucc3960的启动电压时，ucc3960进入软启动状态，偏置绕组对c2及c3充电，此时，ucc3580-3不工作； 阶段3 电容c3上的电压达到ucc3580-3的启动电压时，ucc3580-3进入软启动状态； 阶段4 ucc3580-3软启动结束，ucc3960及ucc3580-3同时进入工作状态，系统进入闭环。 在这4个阶段中，如果初级偏压建立不起来或发生初级过流，则ucc3960进入重复启动的断续工作状态。 图4中的隔离及驱动变压器，它将ucc3580-3的脚4的脉冲上升及下降沿的信息传送到ucc3960的脚2，上升沿导通初级的开关管，下降沿关断初级的开关管。由于只取变化的信号，所以驱动变压器磁芯的截面积及线圈电感均很小，本例中的驱动变压器参数为：初次级匝数比4∶4，电感量5.4μh；电容对次级驱动方波微分，以取出边沿信号；为了防止噪声干扰，初次级加了较大的阻尼，线圈的q值为0.25。 本电路的输出纹波为30mvp-p。其效率在输出15a时为79％。
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