反激式零電壓軟開關開關電源的製作方法

2023-07-01 12:34:11 1

專利名稱：反激式零電壓軟開關開關電源的製作方法
技術領域：
本發明涉及高頻開關電源，尤其涉及反激式、零電壓軟開關準諧振高頻開 關電源的電路拓撲方案。
技術背景
低成本、通用型3842/3/4/5類脈寬調製(P麗)控制集成電路(IC)在單端、 固定頻率電路拓撲中具有代表性。例如UC3842/3/4/5，數據手冊引用ST公 司UC3842/3/4/5數據手冊。特別是在製作小功率反激式開關電源應用中(〈100W) 電路拓撲簡單，總體成本較低。其特點是電流型，PB1控制輸出，開關頻率固定。
3842/3/4/5類P麗控制集成電路應用十分廣泛，但3842/3/4/5屬於固定頻 率P麗控制電路，用3842/3/4/5常規電路拓撲製作的反激式開關電源無法實現 零電壓軟開關。
隨著開關電源技術的進步，開關電源向高頻化、高功率密度、高可靠性、低 電磁幹擾(EMI)發展已是當今電源設計的主流。
以UC3842/3/4/5類P麗控制集成為代表的，固定頻率P麗控制電路的缺點 也已充分顯現。由於開關是硬切換，功率場效應管(M0SFET)上的輸出電容及 其他分布電容在開關開通時的損耗無法避免，這就意味著硬開關P麗控制電路 有開關損耗大、功率MOSFET溫升高、電磁幹擾大等等無法克服的缺點。
圖1為反激式主電路圖。零電壓軟開關由於是在功率MOSFET上漏極電壓過 零時開通，所以在M0SFET上的漏-源寄生電容Coss、高頻變壓器上的寄生電容、 及PCB上的分布電容上的電荷已釋放完畢，理論上是無損耗開通。另外由於零 電壓軟開關電路拓撲接有諧振電容Cr，在MOSFET關斷時，由於高頻變壓器上漏
感的存在，在對諧振電容Cr充電是按一定的斜率上升，雖然此時漏極電流為峰
值Ip，但漏-源電壓仍很低，此時MOSFET關斷損耗(損耗功率三角)也很小。 最大限度地降低了 M0SFET的損耗，大大減小了 M0SFET的溫升。與硬開關電路 路輸出同樣的功率時零電壓軟開關電路的效率更高。因此，電源的可靠性也更
常規的用3842/3/4/5 P麗控制IC製作的反激式電路拓撲的缺陷在輸入電 壓變化或負載變化時，3842/3/4/5通過反饋環路自動調整脈寬輸出，達到穩定 輸出的目的。但輸入電壓變化或負載變化是隨機的，無法預知。3842/3/4/5僅 僅是改變輸出脈寬，M0SFET的開通時間是固定的，所以無法實現零電壓開通的 硬體條件。為實現零電壓開通，晶片必須具有波形跟隨能力，即同步能力。多 家國外著名的集成電路生產商已經開發出專門用於反激式的準諧振控制晶片， 但昂貴的價格令對成本敏感的產品望而卻步。因此，尋求零電壓軟開關的低成 本解決方案具有現實意義。
發明內容
本發明的目的就是為了解決現有技術中存在的問題，提出一種反激式零電 壓軟開關開關電源，能夠降低開關損耗，輸出更大功率，並降低電磁幹擾。
為實現上述目的，本發明專利提出了一種反激式零電壓軟開關開關電源， 包括第一集成電路、第一三極體、第一高頻變壓器和振蕩電路，所述第一集成 電路的輸入端連接有振蕩電路，輸出端通過第一三極體連接到第一高頻變壓器， 所述振蕩電路上還並聯有外同步電路。
作為優選，所述振蕩電路包括第十一電阻和第九電容，所述外同步電路並 聯在第九電容兩端。
作為優選，所述外同步電路包括第十三電容、第十五電阻、第十二極體、 第十四電阻、第十二電容，所述第十三電容的一端接第九電容的一端，另一端、與第十五電阻的一端及第十二極體的負極連接，第十五電阻的另一端與第九電 容的另一端及第十四電阻的一端連接，第十四電阻的另一端連接到第十二極體 的正極，第十二極體的正極通過第十二電容連接到第一高頻變壓器的輸入端。
作為優選，所述外同步電路還包括第八二極體，所述第八二極體並聯在第 九電容的兩端。
作為優選，所述外同步電路還包括第九二極體，所述第九二極體的正極接 第八二極體的正極，負極接第一高頻變壓器的輸入端。
作為優選，所述第一集成電路採用UC3842晶片或者UC3843晶片或者UC3844 晶片或者UC3845晶片。
本發明專利的有益效果本發明採用外同步電路對振蕩電路的電容快速注 入電荷，使原本固定的電容電壓上升時間變為可變，雖然電容的放電時間也是 固定的，但改變了充電時間，使得第一集成電路輸出高電平的時間變為可控， 實現了同歩變頻。降低了開關損耗，比常規的3842/3/4/5類反激式電路拓撲具 有更高的電源變換效率，功率管的溫升更低，輸出更大的功率，具有更高的性 能價格比。而且電磁幹擾更低，該電源能應用在對電磁幹擾敏感的設備上，可 靠性更高。
以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的 限定。


圖l是反激式主電路圖2是UC3842/3/4/5晶片的RC振蕩原理圖3是本發明反激式零電壓軟開關開關電源的電路框圖4是本發明反激式零電壓軟開關開關電源的電路原理圖；'
圖5是採用外充電電路快速注入電荷後輸出高電平開始對伺及實現與Vf谷-
點同步的VCt波形圖。
具體實施方式
參閱圖l，反激式主電路圖，零電壓軟開關由於是在功率MOSFET上漏極電 壓過零時開通，所以在M0SFET上的漏-源寄生電容Coss、高頻變壓器上的寄生 電容、及PCB上的分布電容上的電荷已釋放完畢，理論上是無損耗開通。另外 由於零電壓軟開關電路拓撲接有諧振電容Cr，在MOSFET關斷時，由於高頻變壓 器上漏感的存在，在對諧振電容Cr充電時按一定的斜率上升，雖然此時漏極電 流為峰值，但漏-源電壓仍很低，此時M0SFET關斷損耗(損耗功率三角)也很 小。最大限度地降低了 M0SFET的損耗，大大減小了 M0SFET的溫升。比硬開關 電路路輸出同樣的功率時零電壓軟開關電路的效率更高。
要實現反激式零電壓軟開關需要具備以下條件
第一個條件電路必須工作在電流不連續(DCM)方式，(注連續電流CCM 方式的零電壓軟開關方案不在本設計的考慮範圍。)只有存儲在初級電感(Lp) 的儲能全部傳輸到次級後，初級電感Lp才能與諧振電容Cr產生諧振。諧振電 容Cr上存儲的能量Cr*(Vin+Vf)72 (注Vin是輸入DC電源電壓，Vf是回掃 電壓)才能通過初級電感Lp回饋給電源產生諧振。諧振電容Cr上的電壓由於 有初級電感Lp的作用才能按正弦規律對諧振電容Cr反向充電，形成V^ (Cr上 的電壓)波谷。
第二個條件MOSFET必須在V^的波谷點開通。要同步￥&波形，檢測Va的 谷點，保證在每個周期的V。,谷點開通MOSFET。由於輸入電壓變化或負載變化的 隨機性，要跟隨Vei.的谷點這就意味著P麗控制晶片的頻率要跟隨輸入電壓的變 化或負載的變化而變化。而UC3842/3/4/5為固定頻率晶片，本設計克服了 3842/3/4/5晶片非變頻設計的規則，用3842/3/4/5類P麗控制IC晶片，在設 計允許範圍內的輸入電壓變化和負載從最重到開路能全程同步Ve,.的谷點，保證 在谷點開通M0SFET。第三個條件Vf要大於等於Vin，諧振電容Cr上的電壓才能過零。回掃電 壓Vf要要大於等於輸入電壓Vin。這個是非必要條件，但Vf大於等於Vin是理 想條件。這樣在理論上能使諧振電容Cr上的電壓過零。實現MOSFET零電壓開 通。這會使加在M0SFET上漏極的電壓等於2倍的Vin。在工程上還得考慮M0SFET 的耐壓。設計在較低的Cr電容電壓時開通MOSFET，既能減小諧振電容Cr和其 他分布電容的儲能，又能最大限度地降低MOSFET的耐壓。設計時兼顧考慮。即 工作在準諧振方式。Vf的值的計算是Vf=N*(Vout+Vd)。(注N是變壓器的匝 比，Vout是輸出DC電壓，Vd是輸出整流二極體的導通壓降。)
參閱圖2，UC3842/3/4/55晶片的RC振蕩原理圖(摘自ST公司UC3842/3/4/5 數據手冊)。UC3842/3/4/5 RC振蕩原理圖可知，4腳Ct上的波形和6腳OUTPUT 的關係。從UC3842/3/4/5數據手冊查得，Ct上的充放電波形的峰-峰值為1. 6V。 當Ct電容上的電壓降到峰谷時，6腳OUTPUT輸出高電平，驅動MOSFET導通。 當Ct電容上的電壓升到峰峰時，6腳OUTPUT輸出低電平，驅動MOSFET關斷。 Ct電容上的電壓從峰谷上升到峰峰的時間(即6腳OUTPUT輸出高電平時間)是 由接在8腳5V電壓基準的電阻Rt向Ct充電形成的。Ct電容上的電壓從峰峰下 降到峰谷的時間(即6腳OUTPUT輸出低電平時間)是由接在4腳的Ct電容， Rt電阻和晶片內部的放電三極體共同作用得到的。
從波形看，要同步6腳OUTPUT輸出高電平好象不可能，因為6腳OUTPUT 輸出高電平在Ct電容的峰谷處。因為6腳OUTPUT輸出高電平後，高電平脈衝 寬度是通過反饋環路與2腳電壓反饋輸入端及3腳電流取樣輸入端共同作用決 定的。但仔細分析看到，Ct電容上的波形沒變，Ct電容上充電時間和放電時間 是不變的，就是一旦RC的值確定後，晶片的頻率是不變的。要改變晶片的頻率， 也就是說只要改變對Ct電容的充電速率即可。鑑於此原理可以用外電路來對Ct 電容快速注入電荷，使原本固定的Ct電容電壓上升時間變為可變。雖然Ct電 容的放電時間也是固定的，但改變了充電時間，使得晶片的6腳OUTPUT輸出高
電平時間變為可控。即可同步變頻成為可能。
參閱圖3，反激式零電壓軟開關開關電源，包括第一集成電路IC1、第一三
極管Ql、第一高頻變壓器Tl和振蕩電路1，所述第一集成電路IC1的輸入端連 接有振蕩電路l，輸出端通過第一三極體Q1連接到第一高頻變壓器T1，所述振 蕩電路1上還並聯有外同步電路2。
參閱圖4，所述振蕩電路1包括第十一電阻Rll和第九電容R9，所述外同 步電路2並聯在第九電容R9兩端。所述外同步電路2包括第十三電容C13、第 十五電阻R15、第十二極體DIO、第十四電阻R14、第十二電容C12，所述第十 三電容C13的一端接第九電容R9的一端，另一端與第十五電阻R15的一端及第 十二極體D10的負極連接，第十五電阻R15的另一端與第九電容R9的另一端及 第十四電阻R14的一端連接，第十四電阻R14的另一端連接到第十二極體D10 的正極，第十二極體D10的正極通過第十二電容C12連接到第一高頻變壓器Tl 的輸入端。所述外同歩電路2還包括第八二極體D8，所述第八二極體D8並聯在 第九電容R9的兩端。所述外同步電路2還包括第九二極體D9，所述第九二極體 D9的正極接第八二極體D8的正極，負極接第一高頻變壓器Tl的輸入端。所述 第一集成電路IC1採用UC3842晶片或者UC3843晶片或者UC3844晶片或者 UC3845晶片。
在設計時，按電源的LpCr諧振時間來選定Ct決定Ct的放電時間。按電源 的最低開關頻率來決定Rt決定Ct的充電時間。這樣就決定了用該晶片設計的 開關電源的最低頻率。只要外加合適的同步電路，用該晶片實現零電壓軟開關 成為可能。
參閱圖5，採用外充電電路1對第九電容C9快速注入電荷，改變6腳OUTPUT 輸出高電平開始時間及實現與Vf谷點同步的VCt波形圖。
本實施例中反激式準諧振零電壓軟開關開關電源為核心的開關電源，最大輸 出為150W。電路具有成本低，電源變換效率高，功率MOSFET溫升低，EMI小，
可靠性好的優點。用UC3843晶片實現了反激式零電壓軟開關開關電源。
C5是諧振電容，Ql是功率MOSFET管，工C1是UC3843 P麗控制晶片，Tl是 高頻變壓器，D12是輸出整流二極體，IC2是隔離光藕，輸出端採樣反饋控制輸 入。Rll、 C9是UC3843振蕩外接Rt、 Ct。 Tl'的l一6腳繞組、D9'、 C12、 R14、 D10、 R15、 C13、 C9、 R12、 D8、 Cll及IC1組成外同步電路。
工作頻率的確定由於3843晶片的工作要跟隨輸入電壓及負載輕重的變化自 動改變頻率，因此晶片的工作周期不固定。但可以用算式表達為T二Ton+Toff+Tr。 整理後得到
T二 (Ip禮p/Vin)+Ip*Lp/(N*Vout) + it * (Lp*Cr) ('■5 注T:周期，
Ip:變壓器初級峰值電流， Lp:變壓器初級電感量，
Vin:輸入DC電壓，
N:變壓器初、次級匝比，
Vout:次級輸出DC電壓，包括二極體壓降、變壓器次級線阻壓降
Cr:諧振電容。
F=l/T。注F:頻率。 初級峰值電流的確定
Ip=(2*Po*T / n禮p) o'5
注Po:電源輸出總功率，
ri:電源預計變換效率， 一般可取0.9。 變壓器的匝比確定
為使電路工作在零電壓狀態，理想設計是Vf》Vin。如果考慮MOSFET的耐 壓Vf可適當取小點。如果從Vf二Vin為條件，則匝比N可表示為 Vf=N*Vout 。N=(Vin)max/ (Vout)min。
注(Vin)max:輸入最高DC電壓，
(Vout)min:輸出最低DC電壓，包括二極體壓降、變壓器次級線阻壓
降
用3842/3/4/5類P碰控制IC，實現反激式零電壓軟開關準諧振高頻開關電 源的電路拓撲結構，比常規3842/3/4/5類反激式電路拓撲具有更高的電源變換 效率，功率MOSFET的溫升更低，能輸出更大功率，具有更高的性能價格比。而 且EMI更低，電源能應用在對電磁幹擾敏感的設備上，可靠性更高。具有用專 門準諧振控制晶片實現的零電壓軟開關準諧振高頻開關電源的一切優點。用此 電路拓撲製作的開關電源市場競爭力更強。
當然，本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情 況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但 這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。
權利要求
1.反激式零電壓軟開關開關電源，包括第一集成電路(IC1)、第一三極體(Q1)、第一高頻變壓器(T1)和振蕩電路(1)，所述第一集成電路(IC1)的輸入端連接有振蕩電路(1)，輸出端通過第一三極體(Q1)連接到第一高頻變壓器(T1)，其特徵在於所述振蕩電路(1)上還並聯有外同步電路(2)。
2. 如權利要求1所述的反激式零電壓軟開關開關電源，其特徵在於所述振蕩電路(1)包括第十一電阻(R11)和第九電容(R9)，所述外同步電路(2) 並聯在第九電容(R9)兩端。
3. 如權利要求2所述的反激式零電壓軟開關開關電源，其特徵在於所述外同 步電路(2)包括第十三電容(C13)、第十五電阻(R15)、第十二極體(DIO)、 第十四電阻(R14)、第十二電容(C12),所述第十三電容(C13)的一端接第 九電容(R9)的一端，另一端與第十五電阻(R15)的一端及第十二極體(D10) 的負極連接，第十五電阻(R15)的另一端與第九電容(R9)的另一端及第十 四電阻(R14)的一端連接，第十四電阻(R14)的另一端連接到第十二極體(D10)的正極，第十二極體(D10)的正極通過第十二電容(C12)連接到第 一高頻變壓器(Tl)的輸入端。
4. 如權利要求3所述的反激式零電壓軟開關開關電源，其特徵在於所述外同 步電路(2)還包括第八二極體(D8)，所述第八二極體(D8)並聯在第九電 容(R9)的兩端。
5. 如權利要求4所述的反激式零電壓軟開關開關電源，其特徵在於所述外同 步電路(2)還包括第九二極體(D9)，所述第九二極體(D9)的正極接第八 二極體(D8)的正極，負極接第一高頻變壓器(Tl)的輸入端。
6. 如權利要求1至5中任何一項所述的反激式零電壓軟開關開關電源，其特徵 在於所述第一集成電路(IC1 )採用UC3842晶片或者UC3843晶片或者UC3844 晶片或者UC3845晶片。
全文摘要
本發明公開了一種反激式零電壓軟開關開關電源，包括第一集成電路、第一三極體、第一高頻變壓器和振蕩電路，所述第一集成電路的輸入端連接有振蕩電路，輸出端通過第一三極體連接到第一高頻變壓器，所述振蕩電路上還並聯有外同步電路。本發明採用外同步電路對振蕩電路的電容快速注入電荷，使原本固定的電容電壓上升時間變為可變，使得第一集成電路輸出高電平的時間變為可控，實現了同步變頻。降低了開關損耗，比常規的3842/3/4/5類反激式電路拓撲具有更高的電源變換效率，功率管的溫升更低，輸出更大的功率，具有更高的性能價格比。而且電磁幹擾更低，該電源能應用在對電磁幹擾敏感的設備上，可靠性更高。
文檔編號H02M3/24GK101345481SQ20081012030
公開日2009年1月14日 申請日期2008年8月19日 優先權日2008年8月19日
發明者鄭皆樂 申請人:浙江光益光能科技有限公司