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1 引言 當今，由于模塊電源具有體積小、效率高、可靠性高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛使用于航空航天、機車(chē)艦船、軍工兵器、郵電通信、和科研實(shí)驗等社會(huì )生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域，尤其是在高可靠和高技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)不可替代的重要作用。中小功率的模塊電源一般使用單端正激電路，然而由于其磁特性工作在第一象限，并且是硬開(kāi)關(guān)工作模式，決定了該電路存在一些固有的缺陷：變壓器體積大，損耗大；開(kāi)關(guān)器件電壓應力高，開(kāi)關(guān)損耗大；dv/dt和di/dt大，EMI問(wèn)題難以處理。 為了克服這些缺陷，文獻[1]提出了有源鉗箝位正激變換器拓撲，從根本上改變了單端正激變換器的運行特性，并且能夠實(shí)現零電壓軟開(kāi)關(guān)工作模式，從而大量地減少了開(kāi)關(guān)器件和變壓器的功耗，降低了dv/dt和di/dt，改善了電磁兼容性。因此，有源鉗位正激變換器拓撲迅速獲得了廣泛的應用。 2 主電路工作原理 有源箝位電路通常由有源器件(或稱(chēng)箝位開(kāi)關(guān))和箝位電容串聯(lián)而成，并聯(lián)在主管或變壓器原邊繞組兩端。在主功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間，由箝位電容將主開(kāi)關(guān)管兩端電壓嵌位在一定數值水平上，基本保持不變，使主開(kāi)關(guān)管避免承受過(guò)高的電壓。 在正激變流器中采用有源箝位技術(shù)，即有源嵌位正激電路，還可以實(shí)現變壓器磁芯磁通的自動(dòng)復位，無(wú)需另加復位措施；并可使激磁電流沿正反方向流通，使磁芯可以在磁化曲線(xiàn)的第一和第三象限運行，提高了磁芯的利用率。同時(shí)，該復位技術(shù)和其他復位方式相比，電路還具有如下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn): （1）由于它的復位電壓可以自動(dòng)調節，所以占空比可以大于50%，非常適合Brike DC/DC的寬范圍要求； （2）正激有源箝位電路變壓器上是完整的方波，能很自然的給副邊兩個(gè)同步整流管提供簡(jiǎn)單有效的自驅動(dòng)的方案。 本文采用的電路拓撲如圖1所示，增加了輔助開(kāi)關(guān)Sa（帶反并二極管）和儲能電容Cs，以及諧振電容Cds1、Cds2，且略去了傳統正激變換器的磁恢復電路。開(kāi)關(guān)S和Sa工作在互補狀態(tài)。為了防止開(kāi)關(guān)S和Sa共態(tài)導通，兩開(kāi)關(guān)的驅動(dòng)信號間留有一定的死區時(shí)間。由于變壓器上為完整的方波，副邊兩個(gè)同步整流管采用變壓器自驅動(dòng)方案。 3 控制芯片選擇 LM5025是一款有源鉗位專(zhuān)用的PWM變換器，其內部驅動(dòng)器可驅動(dòng)P溝道或N溝道鉗位開(kāi)關(guān)。LM5025有兩路控制輸出：主功率驅動(dòng)(OUT_A)輸出和有源鉗位驅動(dòng)(OUT_B)輸出。有源鉗位輸出可以設定重疊時(shí)間（P溝道開(kāi)關(guān)管）或死區時(shí)間（N溝道開(kāi)關(guān)管）。兩路驅動(dòng)輸出具有良好的驅動(dòng)性能，即可驅動(dòng)MOS管，也可驅動(dòng)雙極晶體管。除此以外，還有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）高壓?jiǎn)?dòng)穩壓器 LM5025內部有一個(gè)高電壓?jiǎn)?dòng)穩壓器，允許VIN直接連接輸入電壓。穩壓器最大輸出電流為20mA。VCC端電壓達到7.6V，內部5V基準電壓建立，控制器開(kāi)始工作。當VCC低于6.2V或在輸入欠壓鎖定狀態(tài)時(shí)，控制器關(guān)斷。在典型應用中，輔助繞組通過(guò)二極管連接到VCC端，該繞組必須使VCC電壓高于8V，以關(guān)斷內部啟動(dòng)穩壓器。用輔助繞組給VCC供電，不僅提高了效率，而且降低了控制器的損耗。 （2）輸入欠壓保護 LM5025內置輸入欠壓鎖定電路。在VIN和GND之間外接分壓電阻，可設定變換器的工作范圍。分壓電阻必須確保當VIN在工作范圍內時(shí)，UVLO的電壓值大于2.5V。如果VIN低于欠壓門(mén)限，控制器的所有功能將關(guān)斷，并進(jìn)入低功耗待機狀態(tài)。UVLO的滯環(huán)通過(guò)內部20μA電流源實(shí)現。UVLO端也可以用來(lái)實(shí)現外部關(guān)斷，將UVLO端的電壓拉至小于2.5V的門(mén)限時(shí)，變換器關(guān)斷。 （3）過(guò)流保護 LM5025有兩種過(guò)流保護：一種是CS1的采樣電壓大于0.25V時(shí)，逐脈沖限流模式；另一種是CS2的采樣電壓大于0.25V時(shí)，控制器進(jìn)行打嗝式限流保護。此時(shí)控制器關(guān)斷輸出，先對軟啟動(dòng)電容放電并將軟啟動(dòng)電流源降到1μA，軟啟動(dòng)電容完全放電后，再由1μA的電流源緩慢充電。當SS端電壓接近1V時(shí)，PWM比較器在OUT_A產(chǎn)生第一個(gè)脈沖，軟啟動(dòng)電流源恢復到20μA。 （4）熱保護 LM5025內置熱關(guān)斷電路，保護芯片不超過(guò)最大結溫。熱保護典型值是165℃，控制器進(jìn)入待機狀態(tài)，輸出驅動(dòng)和輸入偏置穩壓器都不工作。熱滯后25℃之后，變換器重新軟啟動(dòng)。 以L(fǎng)M2025為核心的有緣鉗位變換器，具有完善的保護功能、穩定的性能和較低的成本，在電源的設計中得到廣泛的使用。 4 實(shí)驗結果分析 實(shí)驗模塊的主功率拓撲采用有源箝位正激變換器電路，該拓撲的變壓器復位方式可進(jìn)一步提高變換器效率，控制電路芯片選用LM5025。變換器輸入電壓為18V～36V，輸出電壓為5V，輸出電流為10A。標準24V輸入，輸出滿(mǎn)載時(shí)效率達到92%。圖2為主開(kāi)關(guān)管和箝位管驅動(dòng)信號波形。由圖中可以看出，主路開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和有源鉗位管開(kāi)通之間加入一個(gè)死區，以避免兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導通。圖3為主開(kāi)關(guān)管的VDS波形。由圖中可以看出，主開(kāi)關(guān)管兩端的電壓被鉗位在40V左右，降低了開(kāi)關(guān)管的損耗，提高了效率。圖4為輸出端整流管和續流管的驅動(dòng)波形。由于變壓器上為完整的方波，而副邊同步整流管采用的變壓器自驅動(dòng)，故其驅動(dòng)波形也近似為方波，幅值與變壓器的變比和輸出電壓有關(guān)。 5 結論 有源鉗位電路除具有效率高、磁芯自恢復等優(yōu)點(diǎn)，還因為變壓器上的波形為完整的方波，同步整流可以采用變壓器自驅動(dòng)，因而廣泛使用于中小功率的DC/DC變換器電源設計。本文在對有源鉗位正激電路分析的基礎上，設計了一款 18V"36V輸入，輸出5V/10A的軍用模塊電源。實(shí)驗結果證實(shí)了有源鉗位正激電路的優(yōu)越性。 |
