工程師不可不知的開關電源關鍵設計(三)

牽涉到開關電源技術設計或分析成為電子工程師的心頭之痛已是不爭的事實，推出《工程師不可不知的開關電源關鍵設計》系列三和工程師們一起分享，請各位繼續關注後續章節。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/176926.htm

　　一、開關電源中浪湧電流抑制模塊的應用

　　1 上電浪湧電流

　　目前，考慮到體積，成本等因素，大多數AC/DC變換器輸入整流濾波採用電容輸入式濾波方式，電路原理如圖1所示。由於電容器上電壓不能躍變，在整流器上電之初，濾波電容電壓幾乎為零，等效為整流輸出端短路。如在最不利的情況（上電時的電壓瞬時值為電源電壓峰值）上電，則會產生遠高於整流器正常工作電流的輸入浪湧電流，如圖2所示。當濾波電容為470μF並且電源內阻較小時，第一個電流峰值將超過100A，為正常工作電流峰值的10倍。

　　

　　浪湧電流會造成電源電壓波形塌陷，使得供電質量變差，甚至會影響其他用電設備的工作以及使保護電路動作；由於浪湧電流衝擊整流器的輸入熔斷器，使其在若干次上電過程的浪湧電流衝擊下而非過載熔斷。為避免這類現象發生，而不得不選用更高額定電流的熔斷器，但將出現過載時熔斷器不能熔斷，起不到保護整流器及用電電路的作用；過高的上電浪湧電流對整流器和濾波電容器造成不可恢復的損壞。因此，必須對帶有電容濾波的整流器輸入浪湧電流加以限制。

　　2 上電浪湧電流的限制

　　限制上電浪湧電流最有效的方法是，在整流器與濾波電容器之間，或在整流器的輸入側加一負溫度係數熱敏電阻（NTC），如圖3所示。利用負溫度係數熱敏電阻在常溫狀態下具有較高阻值來限制上電浪湧電流，上電後由於NTC流過電流發熱使其電阻值降低以減小NTC上的損耗。這種方法雖然簡單，但存在的問題是限制上電浪湧電流性能受環境溫度和NTC的初始溫度影響，在環境溫度較高或在上電時間間隔很短時，NTC起不到限制上電浪湧電流的作用，因此，這種限制上電浪湧電流方式僅用於價格低廉的微機電源或其他低成本電源。而在彩色電視機和顯示器上，限制上電浪湧電流則採用串一限流電阻，電路如圖4所示。最常見的應用是彩色電視機，這種方法的優點是簡單，可靠性高，允許在寬環境溫度範圍內工作，其缺點是限流電阻上有損耗，降低了電源效率。事實上整流器上電處於穩態工作後，這一限流電阻的限流作用已完成，僅起到消耗功率、發熱的負作用，因此，在功率較大的開關電源中，採用上電後經一定延時後用一機械觸點或電子觸點將限流電阻短路，如圖5所示。這種限制上電浪湧電流方式性能好，但電路複雜，佔用體積較大。為使應用這種抑制上電浪湧電流方式，象僅僅串限流電阻一樣方便，本文推出開關電源上電浪湧電流抑制模塊。

　　

　　3 上電浪湧抑制模塊

　　3.1 帶有限流電阻的上電浪湧電流抑制模塊

　　將功率電子開關（可以是MOSFET或SCR）與控制電路封裝在一個相對很小的模塊（如400W以下為25mm×20mm×11mm）中，引出3～4個引腳，外接電路如圖6（a）所示。整流器上電後最初一段時間，外接限流電阻抑制上電浪湧電流，上電浪湧電流結束後，模塊導通將限流電阻短路，這樣的上電過程的輸入電流波形如圖6（b）所示。很顯然上電浪湧電流峰值被有效抑制，這種上電浪湧電流抑制模塊需外接一限流電阻，用起來很不方便，如何將外接電阻省掉將是電源設計者所希望的。

　　

　　3.2 無限流電阻的上電浪湧電流抑制模塊

　　有人提出一種無限流電阻的上電浪湧電流抑制電路如圖7（a）所示，其上電電流波形如圖7（b）所示，其思路是將電路設計成線形恆流電路。實際電路會由於兩極放大的高增益而出現自激振蕩現象，但不影響電路工作。從原理上講，這種電路是可行的，但在使用時則有如下問題難以解決：如220V輸入的400W開關電源的上電電流至少需要達到4A，如上電時剛好是電網電壓峰值，則電路將承受4×220×=1248W的功率。不僅遠超出IRF840的125W額定耗散功率，也遠超出IRFP450及IRFP460的150W額定耗散功率，即使是APT的線性MOSFET也只有450W的額定耗散功率。因此，如採用IRF840或IRFP450的結果是，MOSFET僅能承受有限次數的上電過程便可能被熱擊穿，而且從成本上看，IRF840的價格可以接受，而IRFP450及IRFP460則難以接受，APT的線性MOSFET更不可能接受。

　　

　　欲真正實現無限流電阻的上電浪湧電流抑制模塊，需解決功率器件在上電過程的功率損耗問題。作者推出的另一種上電浪湧電流抑制模塊的基本思想是，使功率器件工作在開關狀態，從而解決了功率器件上電過程中的高功率損耗問題，而且電路簡單。電路如圖8（a）和圖8（b）所示，上電電流波形如圖8（c）所示。

　　

　　3.3 測試結果

　　A模塊在400W開關電源中應用時，外殼溫升不大於40℃，允許間隔20ms的頻繁重複上電，最大峰值電流不大於20A，外形尺寸25mm×20mm×11mm或　　35mm×25mm×11mm。

　　B模塊和C模塊用於800W的額定溫升不大於40℃，重複上電時間間隔不限，上電峰值電流為正常工作時峰值電流的3～5倍，外形尺寸35mm×30mm×11mm或者50mm×30mm×12mm。

　　模塊的鋁基板面貼在散熱器上，模塊溫度不高於散熱器5℃。

　　4 結語

　　開關電源上電浪湧電流抑制模塊的問世，由於其外接電路簡單，體積小給開關電源設計者帶來了極大方便，特別是無限流電阻方案，國內外尚未見到相關報導。同時作者也將推出其它衝擊負載（如交流電機及各種燈類等）的上電浪湧電流抑制模塊。

　　二、開關電源並聯均流實現

　　引言

　　大功率DC/DC開關電源並聯中遇到的主要問題就是電流不均，特別在加重負載時，會引起較為嚴重的後果。普通的均流方法是採取獨立的PWM控制器的各個模塊，通過電流採樣反饋到PWM控制器的引腳FB或者引腳COMP，即反饋運放的輸入或者輸出腳來凋節輸出電壓，從而達到均流的目的。顯然，電流採樣是一個關鍵問題：用電阻採樣，損耗比較大，電流放大後畸變比較大;用電流傳感器成本高;用電流互感器採樣不是很方便，州時會使電流失真。本文提出了一種新型的、方便的、無損的電流採樣方法，並在這種電流檢測方法的基礎上實現了並聯繫統的均流。

　　1 一種新的電流採樣方法

　　如前所述，在均流系統中一些傳統的電流採樣力法都或多或少有些缺點。而本文提出的這種新的電流採樣力法，既簡單方便，又沒有損耗。

　　下面以圖l所示的Buck電路為例，說明這種新的電流檢測方法的原理和應用。

　　

　　電流檢測電路由一個簡單的RC網絡組成，沒流過L的電流為iL，流過C的電流為ic，L兩端的電壓為vL，輸出電壓為vo上電壓為vc，則有vL+iLR1+vo.=vc+icR （1）

　　對式（1）在一個開關周期求平均值得

　　

　　式中：VL是電感上的電壓在一個開關周期的平均值，顯然VL=O;

　　Vo為輸出電壓平均值;

　　IL電感電流平均值，等於負載電流ILoad;

　　Ic是電容在一個開關周期內充放電電流的平均值，顯然Ic=0;

　　R1為電感的等效串聯電阻（ESR）。

　　於是式（2）可化為

　　

　　所以，要檢測負載電流及電感電流的大小，只要檢測RC網絡電容上的電壓的大小就行了，這種方法可以很方便、簡易、沒有損耗地對電流進行採樣。

　　2 基於新的電流採樣方法的均流原理

　　以兩路並聯Buck電路為例，如圖2所示。

　　

　　由式（3）知，

　　Vc1=IL1R1+V

　　Vc2=IL2R2+V

　　式中：Vc1、Vc2分別為C1和C2上電壓的平均值;

　　IL1、IL2分別是L-和L2流過電流的平均值，亦即兩路輸出電流平均值;

　　R1及R2是濾波電感的等效串聯電阻，當在工藝上設計並聯電源每路輸出電感基本上一樣時，可以認為R1=R2。

　　因此，要控制兩路電流均流，即要求IL1=IL2，於是，只要控制Vc1=Vc2就行了。所以，電容C1及C2上的電壓Vc1和Vc2可以代表兩路電流IL1及IL2大小，可用來進行均流控制。

　　這樣，便可得到如圖3所示的控制框圖。

　　

　　3 常用均流方法的分析比較

　　開關電源並聯繫統常用的均流方法有以下幾種。

　　輸出阻抗法即Droop（下垂，傾斜）法調節開關變換器的外特性傾斜度（即調節輸出阻抗），以達到並聯模塊接近均流的日的。這種方法是一種簡單的大致均流的方法，精度比較低。

　　主從法適用於電流型控制的並聯開關電源系統中。這種均流系統中有電壓控制和電流控制，形成雙閉環控制系統。這種方法要求每個模塊問有通訊，所以使系統複雜化，並且當主模塊失效時，整個電源系統便不能工作。

　　平均值均流每個並聯模塊的電流放大器輸出端接一個相同的電阻到一條公共母線上，形成平均值母線。當某模塊電壓比母線電壓高時，輸出電壓下降，反之亦然。

　　最大值均流法和平均值均流法相似，區別只是每路電流通過一個二極體連到一條公共母線上。這種方法其實質是一種「民主均流」方法，電流最大的那個模塊自動成為主模塊，其他模塊為從模塊，從而「自動主從控制」。

　　平均值均流和最大值均流法的均流母線斷開或者開路都不會影響各個電源模塊獨立工作，並且是自動均流方法，均流精度比較高。

　　圖4為常見均流方法的原理圖。如果均流母線是並聯模塊電流的平均值，則是平均值均流法;如果是並聯模塊電流的最大值，則是最大值均流法;如果均流母線是並聯模塊中的主模塊的電流，則就是主從均流法。但是，在這些均流方法中，每個模塊都需要有一套獨立的PWM控制環。

　　

　4 新的均流方案

　　本文提出的方案是基於前所述的每路加一個簡單的RC網絡檢測其分配的電流大小。電容C兩端的電壓平均值就可以表徵這路模塊的電流大小，所以，對系統進行均流控制就是對各路RC網絡C上電壓進行均壓。其均流原理圖如圖5所示。

　　

　　圖5中：Vbus為均流母線電壓;

　　Vref為輸出電壓參考值;

　　Vs為輸出電壓的採樣值。

　　其工作原理和過程如下：

　　通過檢測RC網絡中C兩端的電壓，作為電流信號，幾路電流信號（本例只有兩路）通過一個相同的電阻就得到了平均值均流母線，平均值均流母線電壓值與負載有關，表徵負載電流的大小。

　　然後將每路採樣來的電流信號與母線電壓比較，得到誤差信號，去修正輸出電壓參考信號，從而對PWM控制器的佔空比輸出進行微調，達到均流和穩壓的目的。

　　5 實測結果

　　樣機是一臺DC5V輸入，2V/40A輸出的4路Buck並聯的開關電源，工作頻率為200 kHz，帶上滿載進行測量每一路電流輸出，均流效果好，誤差在2%以下，電源輸出穩定。當輸出電流越大，即大功率並聯的電源系統中，均流效果越好。

　　6 結語

　　這種方案使電流檢測很方便，能高效率、低成本、簡單、方便地實現並聯繫統的均流。

　　三、典型開關電源保護電路

　　多數LED應用利用功率轉換和控制組件連接各種功率源，如交流電線、太陽能電池板或電池，來控制LED驅動裝置的功率耗散。對這些接口加以保護，防止它們因過流和過溫而受損，常常用到具有可復位能力的聚合物正溫度係數（PPTC）組件（圖）。可以與功率輸入串聯一個PolySwitch LVR組件，防止因電氣短路、電路超載或用戶誤操作而受損。此外，放在輸入端上的金屬氧化物變阻（MOV）也有助於LED模塊內的過壓保護。典型開關電源保護電路：

　　

　　四、基於UC3842的反激式開關電源設計

　　高頻開關穩壓電源由於具有效率高、體積小、重量輕等突出優點而得到了廣泛應用。傳統的開關電源控制電路普遍為電壓型拓撲， 只有輸出電壓單閉控制環路， 系統響應慢， 線性調整率精度偏低。隨著PWM 技術的飛速發展產生的電流型模式拓撲很快被大家認同和廣泛應用。電流型控制系統是電壓電流雙閉環系統， 一個是檢測輸出電壓的電壓外環， 一個是檢測開關管電流且具有逐周期限流功能的電流內環， 具有更好的電壓調整率和負載調整率， 穩定性和動態特性也得到明顯改善。UC3842是一款單電源供電， 帶電流正向補償， 單路調製輸出的高性能固定頻率電流型控制集成晶片。本設計採用UC3842 製作一款1 kW 鉛酸電池充電器控制板用的輔助電源樣機， 並對其進行工作環境下的測試。

　　1 UC3842 的工作原理

　　UC3842 內部組成框圖如圖1所示。其中： 1 腳是內部誤差放大器的輸出端， 通常此腳與2 腳之間接有反饋網絡， 以確定誤差放大器的增益和頻響。2 腳是反饋電壓輸入端， 將取樣電壓加到誤差放大器的反相輸入端， 再與同相輸入端的基準電壓（ 一般為2.5 V） 進行比較， 產生誤差電壓。3 腳是電流檢測輸入端， 與取樣電阻配合， 構成過流保護電路。當電源電壓異常時， 功率開關管的電流增大， 當取樣電阻上的電壓超過1 V時， U C3842 就停止輸出， 可以有效地保護功率開關管。4 腳外接鋸齒波振蕩器外部定時電阻與定時電容， 決定振蕩頻率。5 腳接地。6 腳是輸出端， 此腳為圖騰柱式輸出， 能提供±1A 的峰值電流， 可驅動雙極型功率開關管或MOSFET.7 腳接電源， 當供電電壓低於16 V 時， UC3842 不工作， 此時耗電在1 mA 以下。輸入電壓可以通過一個大阻值電阻從高壓降壓獲得。晶片工作後， 輸入電壓可在10~ 30 V 之間波動， 低於10V 則停止工作。工作時耗電約為15 mA.8 腳是基準電壓輸出， 可輸出精確的5 V 基準電壓， 電流可達50mA.由圖1（ b） 可見， 它主要包括誤差放大器、PWM 比較器、PWM 鎖存器、振蕩器、內部基準電源和欠壓鎖定等單元。U C3842 的電壓調整率可達0.01% ， 工作頻率為500 kHz.

　　

　　圖1 UC3842 管腳圖和內部結構圖

　　2 反激變換器的設計

　　此次設計的反激變換器是從1 kW 充電器全橋開關電源初級側高壓直流部分取電作為輸入電壓。反激變換器預定技術指標如下。

　　輸入電壓： 240~ 380 V DC; 輸出電壓： 12 V DC; 輸出電流： 2 A； 紋波電壓： ±500 mV；輸出功率： 25 W；效率： 85% ；開關頻率： 65 kHz；佔空比：小於40%。

　　如圖2 所示， 電路由主電路、控制電路、啟動電路和反饋電路4 部分組成。主電路採用單端反激式拓撲，它是升降壓斬波電路演變後加隔離變壓器構成的，該電路具有結構簡單， 效率高， 輸入電壓範圍寬等優點。工作模式選擇在斷續模式到臨界模式之間。功率開關管選用N？？MOSFET STP9NK70ZFP（ 700 V， 5 A）。次級整流二極體選用肖特基二極體SR540（ 40 V， 5 A） 。