48V25A直流高频开关电源设计

第3章 高频开关电源控制电路的硬件设计与实现

3.1.3 UC3875输出波形的分析

在UC3875集成电路的四个输出端中，OUTA和OUTB是互补输出的，驱动其中的一个桥臂：OUTC和OUTD是互补输出的，驱动另一个桥臂。两个桥臂的导通角相差一个相位，即移相角。UC3875就是通过改变移相角的大小实现全桥功率级的控制。本电路中，OUTA驱动Q2管，OUTB驱动Q4管，OUTC驱动Q1管，OUTD驱动Q3管，如3-3图所示。

UC3875的输出驱动波形如图3-3所示，在图中可以很明显的看出驱动信号D超前于A先关断，驱动信号A超前于C先关断，驱动信号C超前于B先关断，驱动信号B又超前于D先关断。在图中，OUTA驱动桥路中的功率管Q2，OUTB驱动桥路中的功率管Q4；OUTC驱动桥路中的功率管Q1，OUTD驱动桥路中的功率管Q3。这就使得对角线上的两个功率管Q1和Q4导通时，首先关断的是Q1功率管；对角线上的两个功率管Q3和Q2导通时，首先关断的是Q3功率管。这就可以得到功率管Q1和功率管Q3组成的桥臂为超前桥臂；功率管Q2和功率管Q4组成的桥臂为滞后桥臂。

Q1Q258T11Q34Q4

图3-2 直流变换电路

图3-3 UC3875输出驱动波形

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第3章 高频开关电源控制电路的硬件设计与实现

从图3-3中得知，对于超前桥臂和滞后桥臂的确定不仅与UC3875输出的 波形有关，而且与输出端驱动变换桥中的功率管的位置有关的。UC3875启动时，输出端OUTA和OUTC的波形重合，OUTB和OUTD的波形重合，移相角为最大180度，使得启动时输出的电压为零。随着PWM的调节，OUTA和OUTB 的波形不变，OUTC和OUTD的波形相对于OUTB和OUTA移动，调节移相角减小，从而调节电源的输出，直到输出电压稳定。当运放的输出电压增加时，移相角减小，输出电压增加。

3.1.4 光电耦合器

光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电-光-电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成，把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端。在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电-光-电的转换。能有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，有响应速度较快、寿命长、体积小耐冲击等好处。

UC3875的输出波形驱动MOSFET管，UC3875最终的输出就是四个驱动信号：OUTA(pin14)，OUTB(pin13)，OUTC(pin9)和OUTD(pin8)，这四个输出均可提供2A的驱动峰值电流，因此可以直接用于驱动MOSFET或经过隔离来驱动MOSFET，不必在加驱动电路。不过，需要一个光电耦合器。光电耦合器在开关电源的回路中，使输入回路和输出回路进行电气隔离。在电源中，光电耦合器一般用来传递脉冲信号，所以光电耦合器工作与开关状态。本论文中，采用HCPL-3100，起隔离作用。HCPL-3100具有高输出电流，高速率和很宽的电压范围。

3.2保护电路的设计

为了保证开关电源在正常和非正常使用情况下，开关电源不损坏。其控制电路的设计中应包含保护电路的设计。保护电路应具备自保护和负载保护两方面的功能，一旦出现故障，立即使主电路停止工作，以保证在任何情况下，自身不损坏，负载也不损坏。本电路设计中，除了输出限流以外，开关电源还设置有输出过压、功率管过热等保护电路。保护电路如下图3-4所示。

在保护电路中，应用了UC3875移相控制芯片中的电流比较器。将输出电流、输出电压、温度等保护电路通过一定的电路转换连接到UC3875的电流检测端

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C/S+，实现对整个电路的保护。

3.2.1电压与电流的保护

芯片内有一个电流比较器，其同相端接电流检测端C/S+(pin5)，反相端在内部接了一个2.5V电压。当C/S+电压超过2.5V时，电流比较器输出高电平，是输出级全部为低电平，同时将软启动脚的电压拉到0V。当C/S+电压低于2.5V后，电流比较器输出低电平，软启动电路动作，输出端的移相角从0度慢慢增大。实际上，也可以把C/S+用作一个故障保护电路，例如输出过压，输出过流等。当这些故障发生时，通过一定的电路转换成高于2.5V的电压，接到C/S+端，就可以对电路实现保护了。将检测到的电流信号整流后经过二极管D引到UC3875的电流检测端C/S+。当原边电流过流时，检测到的电压信号超过2.5V，UC3875的输出全部关断。

输出电压保护电路如图3-4所示，输出电压经分压后，接到比较器的正向输入端，在正常工作时，输出电压经分压后的电压小于给定值，比较器输出低电平，二极管D6不导通。当输出过压时，比较器输出高电平，二极管D6导通，此时，CS+端的电压信号大于门槛电压2.5V，过压保护动作，指示灯D3亮。D6是止逆二极管，防止其余的电路故障发生时指示灯误动作。

输出电流的保护电路与输出电压的保护电路基本相似。不同的仅是输出电流信号经过电流互感器后，在由检测电阻和分压，在经过电压跟随器，接到C/S+端。电流互感器，电流互感器是一种变换电流的互感器，其二次侧的电流一般为5A，它的主要作用有二个：其一是用来使仪表、继电器等与主电路绝缘；其二是用来扩大仪表、继电器的二次设备的应用范围。通过采用不同的变流比的电流互感器，利于测量二次的电流。电流互感器的一次绕组匝数很少，且一次绕组导体相当粗，二次绕组匝数多，导体较细。工作时，一次绕组串联在一次电路中，而二次绕组则与元件等串联，形成闭合回路。电流互感器的一次电流和二次电流的关系如下：

I1?N2I2 N1在保护电路中，用到了电压跟随器[15]和电压比较器[13]。在开关电源中，电压跟随器有较大的电流放大能力，且输入电阻较高，输出电阻低，有很好的隔离、缓冲作用。常用的电压跟随器是LM342。电压比较器常用的是LM339，它有宽电压范围，单电源为2-36V；偏置电流小，失调电压小，典型值是2mV，共模输

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第3章 高频开关电源控制电路的硬件设计与实现

入电压范围等于电源电压，输出饱和电压低，输出级采用集电极开路形式，可方便灵活选用。LM339比较器多用做比较两种电压，当任选一个输入端并加上一个固定参考电压时，输出端就会从一种状态翻转为另一种状态。LM339的输出级为集电极开路状态，所以在使用时必须在正电源端和输出端之间跨接3-20k?的上拉电阻，以保证输出端有可靠的电平输出。

图3-4 保护电路

3.2.2过热保护电路

功率器件发热是不可避免的，所以功率器件必须固定在散热片上进行冷却，必要时采用风扇冷却。功率器件过热时，性能会降低，使用寿命减少，严重时器件会损坏，因此有必要对功率器件的散热情况加以监视。

本电路中，采用两个温控开关，分两级对功率器件进行热保护。使用时温控开关和功率器件一起安装在散热片上。其中一个温控开关选用40℃常开开关，串联在风扇供电线路中。当散热片温度高于40℃，温控开关闭合，启动风扇散热；另一个温控开关为80℃常闭开关。当散热片温度高于80℃，温控开关打开，UC3875的C/S+端电压大于2.5V，UC3875封锁输出，起到对电路的保护作用。当温度下降到40℃以下时，温控开关重新闭合，开关电源软启动，继续工作。

3.3 辅助电源设计

图3-5是辅助电源的设计电路，0.33uF的电容防自激振荡，1uF的电容防止输出电压有波动。运用整流桥将交流电整成直流，并用78系列稳压器稳压。设计的辅助电源为芯片提供驱动电压，分别输出+12V、+5V。其中一个+5V是光电耦合器的专用电源。

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