全桥开关稳压电源剖析.docx

1、全桥开关稳压电源剖析目录第一章 前言 11.1 开关电源技术的发展状况 11.2 开关电源定义 21.3 开关电源的发展历史及其应用范围 21.4 开关电源控制技术分析研究 41.5 全桥开关电源应用技术 41.6 本设计的内容及参数 4第二章 电子元器件及部分电路介绍 62.1 二极管组成电路分析 62.1.1 整流桥电路 72.1.2 稳压管稳压电路 82.2 三极管及其组成电路分析 92.2.1 图腾柱驱动电路 102.2.2 共射放大电路 102.3 场效应管及其组成电路分析 122.3.1 场效应晶体管组成的开关驱动电路 12第三章 全桥拓扑原理 143.1基本工作原理 143.2

2、全桥变换器设计 163.2.1 最大导通时间、初级绕组圈数选择 163.2.2 初级电流、输出功率、输入电压的关系 163.2.3 初级线径的选择 163.3 变压器初级隔直电容的选择 17第四章 UC3895芯片外围电路设计 184.1 UC3895介绍 184.1.1 UC3895原理框图及特点 184.1.2 UC3895引脚功能 194.2 UC3895 外围电路计算 20第五章 全桥开关电源硬件设计 225.1 稳压恒流电路的设计 225.2 辅助电源的设计 235.3 主功率板总图 255.4 驱动电路设计 26结束语 27参考文献 28致谢 29摘要：本文重点介绍了由UC3895

3、构成的相移谐振PWM 控制器的工作原理和他的应用，进一步设计了由UC3895构成的全桥移相零电压开关（ZVS）PWM 开关电源。全桥开关电源采用了图腾柱驱动电路，并且驱动电路以隔离的方式驱动MOS开关管，以此来提高电源的稳定性；UC3895采用了ZVS技术使开关管的导通损耗减小，提高了整个电路的工作效率。此次开关电源设计重点分析了全桥开关电源开关管的零电压开通和零电流关断的过程以及全桥开关的工作原理，而且还阐述了全桥开电源相关的应用领域，以及全桥开关电源今后的发展方向和发展趋势。本文选择了全桥拓扑，分析了电源的外围电路。UC3895自身带有自适应延迟时间设置以及其他的增强逻辑功能，而且UC38

4、95采用了BCDMOS制造工艺，这就使得UC3895的整体性能有了很大的提高。关键词：全桥稳压技术；零电压开关技术；全桥移相控制技术。ABSTRACT：This paper mainly introduces the composed of UC3895 phase shift resonant PWM controller working principle and application, further designed composed of UC3895 full bridge phase shifting zero voltage switching (ZVS) PWM switc

5、hing power supply.Full bridge adopted the totem poles switch power supply drive circuit, and drive circuit in the form of isolated drive MOS switch tube, in order to improve the stability of the power supply;UC3895 adopted ZVS technology reduce switch tube conduction losses, improve the work efficie

6、ncy of the whole circuit.The switching power supply design focuses on analyzing the whole bridge opening of zero voltage switch power switch tube and zero current turn off process and the working principle of the full bridge switch and also expounds the application of the whole bridge open power sup

7、ply related fields, as well as the whole bridge switching power supply development direction and development trend in the future.This article chose the full bridge topology, the periphery of the power supply circuit is analyzed.UC3895 itself with enhanced adaptive delay time Settings, and other logi

8、c function, and BCDMOS UC3895 adopted manufacturing technology, which makes UC3895 overall performance has the very big enhancement.Keywords: zero voltage switching technology； full bridge phase shifting control；resonant converter。第一章 前言 小型开关电源主要是以反激拓扑为主，反激低噪声、抗干扰、高稳定性等优点。现在的的小型电源小型化以及高效率主要是由高频开关实现的

9、，因此目前都在不断地开发出高效率新型元器件，特别是不断地改进次级侧二极管的管压降、变压器电容器小型化。该电源电路结构简单，工作可靠，总体发热量降低，电磁干扰能力增强，并且运行可靠，输出电源质量高，是一种高效率的小功率开关电源。简单介绍一个小型电源的原理图，控制电路主要是由控制芯片OB2530来控制完成的，另外还加入必要的外围电路：反馈电路，它是由过流保护电路，过压保护电路，稳压电路等组成控制电路。主电路是由整流/滤波电路，Buck电容，高频变压器等组成。下图1.1 OB2530电路原理图。图1.1 OB2530电路原理图1.1 开关电源技术的发展状况 电力电子技术在近代社会正在以一个高速度不断

10、的创新发展，高频开关电源应用的领域已经非常广泛：1.PC终端设备，2.通讯家用电器，3.工业电源，4.航空航天等各个领域。我国的电子行业正迅速崛起，电子产品正在经历一个迅速发展的阶段。手机，电脑等PC设备尤为突出。因此电源的需求与应用也变的很迫切。电源有几种比较常见的拓扑结构：1.Buck拓扑结构，2.Boost拓扑结构，3.推挽拓扑结构，4.正激拓扑结构，5.反激拓扑结构，6.半桥/全桥拓扑结构等。其中小功率的开关电源反激拓扑应用的很普遍，技术已经很成熟（150W）以下的开关电源。大功率的开关电源一些工业电源半桥/全桥拓扑应用的比较广泛。20世纪80年代PWM宽带脉冲调制技术得到了迅速的发展

11、，PWM技术主要应用于电力电子行业。风力发电，电机调速，直流供电等重要领域。PWM技术的发展对节能环保方面有一定的积极的意义。正如像台达这些电源大厂的企业理念“节能，环保，爱地球”极大的提高了电源的效率，这也对应了如今国家提倡的节能减排的战略要求。PWM有很多种的控制方法:1.等脉宽PWM法2.随机PWM法3.SPWM法等十几种方法控制方法。后面我们还会详细的讲解PWM脉宽调制技术。1.2 开关电源定义线性电源是高频开关电源迅速发展和进步的基础，通俗的说开关电源是在线性稳压电源的基础上发展进步的。开关电源是开关器件（如：三极管，晶体管等）工作在开关状态的电源。开关电源中有四大类基本电力电子电路

12、： AC-DC 电路 DC-AC 电路 AC-AC 电路 DC-DC 电路开关电源在实际应用中，比以上四种电子电路范围要窄的很多。换句话将就是要同时具备以下的三个基本条件的电源可称之为开关电源,这三个基本条件就是：1.开关 2.高频3.直流。1.3 开关电源的发展历史及其应用范围 线性稳压电源是开关电源的发展基础。在开关电源还没有出现的时候，许多工业控制设备、PC电源等工作电源都是采用线性稳压电源。但是因为电子技术的不断跟进使得我们需要功能越来越强大更加完善的开关电源。这就使得市场迫切需要1.体积小2.效率高3.重量轻4.性能好的新型高频开关电源，开关电源技术发展最为强大的动力莫过于它巨大的市

13、场价值当然还有能源方面的能源意义。新型电力电子器件的创新以及高频率的开关管的出现给开关电源的发展提供条件。在上世纪 60 年代末，巨型晶体管（GTR）的出现，在工程的不断努力下使得采用高工作频率的开关电源得以问世，那时确定的开关电源的基本拓扑结构一直沿用至今，如上文我们已经提到过的Buck拓扑，Boost拓扑，推挽变换器，正激变换器，反激变换器，半桥/全桥拓扑等。电源的开关频率这几年得到了很大的提升完全得益于MOSFET 在开关领域的使用，使得电源体积变得更小，重量变得更轻，功率密度也得到了改善。开关电源的开关频率不断的提高也引起了很多的问题，比如电磁干扰问题，为了能够更好的解决电磁干扰的问题

14、就出现了一个新的技术，软开关技术开关电路它的出现使得开关电源技术进一步提升。在后来在上世纪 90 年代开始，功率因数校正（PFC）技术成为了开关电源发展的瓶颈，工程师们也不断的去想各种办法去提高开关电源的功率因数（PFC）。出现了功率因数校正技术（PFC）可以分为： 1.主动式PFC 2.被动式PFC 目前除了对直流输出电压的输出纹波要求极高的场合外，高频开关电源慢慢的取代了线性稳压电源，主要用于小功率场合。比如：电视机、电脑、计算机、各种电子仪器仪表的电源。在比较多的中大容量范围，开关电源慢慢取代了相控电源，比如：1.通信电源领域2.电镀装置3.电焊机4.工业设备等的电源等。开关电源的主电路

15、是开关电源的核心部分。我们一般根据以下的三个原则对开关电源斤西瓜以下分类根据： 1. 电能回馈能力 2. 输出端与输入端是否电气隔离 3. 电路的结构形式。我们可以发现隔离型电路在实际应用中较广泛推广。而非隔离型电路较少如图 1.2 电源拓扑分布图：图1.2 电源拓扑分布图1.4 开关电源控制技术分析研究 开关电源可以分为电压控制模式和电流控制模式两种控制模式：1.5 全桥开关电源应用技术 1.PWM高频调制技术 2.软开关技术 3.处理网侧谐波电流 4.提高网侧功率因数以上先进的的电力电子技术的应用引入高效、高性能、高功率因数和低污染的新趋势。使得电源的发展： 1.正向高频化 2.高功率密度

16、 3.高功率因数 4.高可靠性和高智能化1.6 本设计的内容及参数本次设计采用相移脉宽调制谐振控制器UC3895芯片，这种介绍了UC3895的外围电路设计以及在开关源中的应用。UC3895是相移谐振DC/DC变换的PWM 控制器，UC3895的功能及特点有以下几点。1.UC3895增加了自我适应的延迟时间设置还有其他的逻辑功能模块设置。2.先进的BCDMOC工艺制造用在了这颗芯片的身上，使得UC3895的性能得到了很大的提高。特别是处理信号的速度上。3.这颗芯片也是一种DC/DC变换器的控制芯片。4.UC3895内部设置有软开关设置，所以它能实现全桥零电压软开关功率变换电路,他也有控制电路简单

17、,性能稳定可靠。文中同时也有介绍 ZVS 逆变电路的各个开关管工作状态的工作模式，系统的阐述了各个电子元器件的性能参数以及他们的应用电路设计，还有设计了UC3895外围电路设计包括延迟时间的设定，逆变电路的设计，不可控整流电路的设计，电压检测反馈电路设计，过电流保护进行了设计，以及他们的动态电路的分析及简单计算，不管电路怎么设计，工程师们都尽力的使电路的稳定性和安全性进一步提高。参数：1输入电压：220VAC20%，50Hz。2输出48V-3.3V/15A，输出纹波50mV,开关噪声200mV。3输入对地隔离电压1500VAC(10mA漏电流,1分钟打压)。4要求选用UC3895作为PWM控制

18、芯片,全桥主电路。第二章 电子元器件及部分电路介绍 在开关电源中，电力电子器件是完成电能转换以及主电路拓扑中最为关键的元件。为了降低电子元器件在工作状态的功率损耗以及提高开关电源的整机效率，开关电源中的开关管一般工作在开关状态，由此我们命名他们为开关元器件开关元器件的应用极大的提高了开关电源的效率。电力电子器件种类很多，我们根据电子元器件在电路中被控制的程度进行了一下的分类。1：不可控器件，即二极管；2：半控型器件，主要包括晶闸管及其派生器件；3：全控型器件，主要包括绝缘栅双极型晶体管、电力晶体管、电力场效应晶体管等。随着电子半导体技术的不断进步和发展，他们的性能都在不断地提高，功耗不断的下降

19、。这就极大的提高了开光电源的整机的功率密度以及电源高频话的发展。我们只有不断地探索，创新了解电力电子器件的特性，这样才能设计开发出来一个理想的开关电源。2.1 二极管组成电路分析 图2.1 二极管2.1.1 整流桥电路 整流桥电路就是把我们用的交流电通过整流桥转换为直流电的电路。整流电路可以分为一下三种： 1.半波整流电路 2.全波整流电路 3.桥式整流电路 这三种整流电路主要就是利用二极管的单向导电特性，整流二极管的导通电压由输入交流电压提供。下图2.2所示整流桥电路，他就是利用二极管的单向导电的基本特性来整流的电路，使交流电转换成了直流电。达到了整流的目的。整流桥电路是对半波整流电路的一种

20、改进。它能获得半波整流所不能得到的下半部分的波形，这就使得整流的效率提高。桥式整流电路的原理非常简单，它就是利用四个二极管，两两对接。正弦波是能够顺利导通，负弦波是二极管2,3的作用使得电流正向流出，得到了直流电。利用二极管单向导通的特性，但也要特别注意二极管的反向耐压值，如果超出二极管就会被击穿，桥式整流我们由定义可以看出对输入正弦波的利用效率比半波整流高出一倍，因为正弦波的负半轴也被利用了。由此也提高了电能的利用效率。桥式整流是交流电转换成直流电的第一步后面还要有直流电的滤波整流，雷击浪涌的整改等一系列问题。桥式整流是由4只整流二极管作桥式连接，它的封装工艺现在已经很完善。桥式整流器品种多

21、，性能优良，整流效率高，稳定性好。 二极管有以下几个参数特性： 1：最大整流电流 （IF） 2：最高反向工作电压（Udrm） 3：反向电流（Idrm） 4：动态电阻（Rd） 5：最高工作最高频率（Fm） 图2.2 桥式整流器2.1.2 稳压管稳压电路 二极管的反向击穿时它的电流在一定的范围波动但是二极管的电压保持不变，利用二极管的这一特性我们就能制作成稳压二极管，它的主要作用就是稳压作用。在临界反向击穿电压前稳压二极管都有很高电阻的半导体器件，这就使得稳压二极管的两端的电压是保持不变在一定的电流范围内，具有很好的稳压特性下图的曲线可知，串联起来的稳压二极管可以在较高的电压上使用，串联起来的稳压

22、二极管的两端可以有很高的电压。稳压电路和限幅电路根据这个特性做成的。下图为稳压二极管的伏安特性曲线和稳压二极管符号表示如图2.3（a）（b）所示。 (a) (b)图2.3 伏安特性曲线及符号 稳压二极管的主要参数： 1：稳定电压 2：稳定电流 3：额定功耗 4：动态电阻 5：温度系数 稳压二极管对电流的要求也很高，比如稳压二极管的反向电流要大于稳压管的最小稳定电流在稳压电路中，电流如果过小的话会造成稳压电路不稳定工作稳压二极管不稳压。稳压管的最大稳压电流我们也要注意，不能超过稳压管的最大稳压电流，超过稳压管最大稳压电流的话就会造成稳压管损坏。为了解决这个问题我们在稳压电路中要串联了一个稳压电阻

23、图2.4中的 R来限制电流，这个电阻我们叫做限流电阻。将限流电阻的R值计算在一个合适的范围内，才能保证稳压二极管工作在稳定状态，起到稳压的作用。如图2.4稳压管稳压电路。 图2.4 稳压管电路2.2 三极管及其组成电路分析 半导体三极管我们简称它为三极管，也有的叫法双极型晶体管和晶体三极管，三极管它是一种电流控制的半导体器件，三级管有将电流信号放大的作用，它是电源电路中的核心元件。三极管由三部分组成组成的方式如图2.5(a)(b)分别为N沟道三极管P沟道三极管。 1.基区， 2.发射区 3.集电区 图2.5(a) 图2.5(b)图2.5 N沟道三极管P沟道三极管2.2.1 图腾柱驱动电路 图2

24、.6是一个图腾柱驱动电路。图腾柱就是上下各一个晶体管，上管为NPN型三极管，下管为PNP型三极管。两个基极极接到一起接输入，上管的发射极和下管的集电极接到一起接输出。来匹配电压或者提高MOS的驱动能力。图2.6 图腾柱驱动电路2.2.2共射放大电路 图2.7 阻容耦合共射放大电路图2.8 直接耦合共射放大电路2.3 场效应管及其组成电路分析场效应晶体管有两种类型，第一种：junction FETJFET第二种：金属 - 氧化物半导体场效应管。金属 - 氧化物半导体场效应管他是由多数载流子参与导电它具有单极性导电的特性所以也叫做单极性晶体管。单极性晶体管它是由电压控制的半导体器件。单极性晶体管具

25、有： 1.输入电阻高；2.噪声小；3.功耗低；4.动态范围大；5.易于集成；6.没有二次击穿现象优点。场效应管是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。场效应晶体有以下主要参数： 1.夹断电压； 2.饱和漏源电流； 3.开启电压； 4.漏源击穿电压； 5.最大漏源电流。2.3.1场效应晶体管组成的开关驱动电路使用MOS管相对于三极管有以下优点：1.MOS管是电压控制的电子元器件，并且具有驱动能力小的特点。2.MOS管大多都是载流子的器件，它没有二次击穿而且热稳定性比较好。所以场效应晶体管是是开关电源小型化，高效率化的重要器件。特别是在开关电源工作在高频时（100KHZ），

26、MOS 的有点更为突出。场效应晶体管的基本形式如图2.9 TTL驱动MOSFET。图2.9 TTL驱动MOSFET第三章 全桥拓扑原理全桥开关电源拓扑如图3.1所示，全桥变换器与采用了倍压整流电路和全桥整流电路。所以全桥电压可以构造出440V的离线变压器全桥拓扑的优点是初级侧可以得到幅值为VDC的方波电压。图3.1中全桥变换器有两个输出，及主输出VOM和辅助输出VOI.电路在工作的过程中MOS管 Q1和Q4, Q2和Q3两组MOS交替导通半个周期，但是如果Q1,Q2,Q3,Q4同时导通的话MOS管就会烧坏。不考虑MOS 的导通压降的问题，我们就会得到初级电压幅值为VDC脉宽为t的交变方波如图3

27、.2方波图。3.1基本工作原理我们知道市电的电压是不稳定的，所以我们得到的方波并不是一致不变的，这就需要我么在电路中设置反馈环检测输出电压的变化，检测到输出不稳定时及时的调制脉宽及占空比，达到在市电复杂变化的情况下保证负载得到的稳定电压。但是负载变化时，辅助输出的变化为百分之5-8之间。图3.1 全桥变换器图3.2 方波图 由上图我们假设晶体管MOS 的导通压降为1V，肖特基整流管的压降为0.5，辅助输出的二极管为1V.由此我们可以计算出变压器的电压为： 辅助电压计算： (3-1a) (3-1b) 主输出电压计算： (3-2a) (3-2b)由上面的公式我们可以看出全桥拓扑与其他的拓扑结构原理

28、相同，当市电出现变化上升或下降时，UC3895就会进行一定比列的脉宽调节增大脉宽或减小脉宽，是输出电压保持稳定。就是通过保持VT乘积不（伏秒积平衡）使输出电压稳定。3.2 全桥变换器设计3.2.1 最大导通时间、初级绕组圈数选择 首先我们上文提到了当四只开关管同时导通时，开关管会烧毁。这就要求开关管最大导通时间（由公式（3-1b）和（3-2b）可知）出现在直流输入电压最低的时候不超过半周期的百分之80。从而避免开关管烧坏。根据电压方程我们正确的选择匝比、，使其在一定的电压范围内变换器仍能保持稳定的输出。3.2.2 初级电流、输出功率、输入电压的关系我们假设设计的变换器的效率为百分之90，因此我

29、们可以得到一个转换关系，输入的直流电压为最小值，选择的占空比0.8，忽略开关管的到导通压降，则输出的公式为： （3-3）即 （3-4）3.2.3 初级线径的选择 因为我们设定的占空比为0.8，则电流的有效值为，由上式（3-3）可知： 即： （3-5）我们假设电流的密度为600圆密耳每有效值安培则： 总圆密耳数= （3-6）3.3 变压器初级隔直电容的选择 图3.1(a)中,在变压器的初级侧我们串联了一个没有极性的隔直电容，这样做的目的是为了避免磁通不平衡的问题。全桥开关电源的磁通不平衡虽然不是很严重，但也会发生。晶体管一对半周期开关管导通的时间可能与另一半导通时间存在一定的误差；还有就是开关管

30、的导通压降也肯能存在不同。这些参数的不同和一些其他因素的差异都会导致变换器初级侧的伏秒积不平衡导致磁通不平衡导致开关管的损坏。添加初级隔直电容可以避免磁通不平衡的问题，保证了电源的稳定性。第四章 UC3895芯片外围电路设计4.1 UC3895介绍 在全桥变换器中，开关管的损耗是造成效率低的一个主要原因，这就使我们常说的开关管的导通损耗。开关管导通损耗产生的主要原因就是在它导通和关断的时候，开关管的电压和电流不为零，我们就称这种开关的方式为硬开关，开关管本身存在寄生电感，电容，随意在导通，关断的时候开关管会产生很大的电磁干扰。这就促进了软开关的诞生。 导通和关断的时候，开关管的电压和电流为零称

31、为软开关。就是应用LC谐振技术降低开关管导通，关断的时候和降低。是开关损耗降低，提高开关频率。UC3895就是用于驱动和控制谐振直流交换器。4.1.1 UC3895原理框图及特点 下图4.1是UC3895的原理框图。UC3895内部集成了包括1.误差放大器2. PWM 比较器3.PWM锁存器4.延时电路5.输出驱动电路等。图4.1 UC3895原理框图4.1.2 UC3895引脚功能下图4.2是UC3895封装的引脚排列及介绍： 1. EAN脚是UC3895内部误差放大器的反相输入端。 2. EAOUT是UC3895是内部误差放大器的输出端。 3. RAMP脚是UC3895是内部误差PWM 比较器的反相输入端。 4. REF脚是UC3895内部5V 的基准电压。它的功能就是为内部电路供电，同时还可提供 5mA 电流为外部负载。 5GND脚 UC3895内部为除输出级外，芯片内电路的地。 图4.2