反激式DC/DC电源的集成化研究＊

叶剑利，李明峰

(浙江大学电气工程学院，浙江  杭州  310027）

Abstract:The topology for flyback DC/DC switching power supply using discrete components and devices are introduced, which is verified in practical circuit.The result of experiment is here presented, and the feathers of this topology as well as variety of performances are analysed. This work provides base for furture integration of the power supply. 

Keywords:DC/DC; Current feedback control; Integration   

1  引言

    电源的集成化是电源产品发展的方向。在开关电源的应用中，PWM控制电路是电源设计的核心，PWM控制电路可以由分立元器件来实现，因而，可以设想把PWM及反馈控制和自保护电路集成到一个芯片上。在国外，这种控制芯片早就成为商品，如UC3842，TOPSwitch等。而在国内，该类产品几乎是空白，因而，电源的集成化研究将成为一个发展趋势。

    由于反激变换器的电路拓扑简单，输出与输入电气隔离，能高效提供多组直流输出，升降压范围宽，因此在中小功率场合得到广泛应用。本文利用反激变换器的特点，设计了利用分立元器件搭构的驱动控制电路，驱动反激变换器，为日后的集成化作准备。

2  驱动控制电路拓扑

    图1中，V₈为振荡电路产生的振荡脉冲，其占空比为50％，由该脉冲决定开关器件的工作频率。V₁为原边电流采样电阻上的压降，V₂为输出电压的反馈值，V₃是用于驱动开关管的信号。V₂经过PI调节器进行误差放大后输入到比较器的反向端，与输入到比较器同向端的经过误差放大后的V₁值进行比较，从而决定V₃的脉宽大小。逻辑电路产生的信号经过输出级后用来驱动MOSFET的开通和关断，该信号（V₃）的占空比与输出电压的反馈值V₂成反比，实现电压反馈式的控制环，同时，该信号的占空比还与输入的直流电压值成反比，以实现电路的前馈控制。V₃信号由经过放大后的原边电流的采样电阻上的电压值和经过PI调节器的输出电压的反馈值共同来控制。图2为各个反馈信号的误差放大值、振荡脉冲V₈以及MOSFET的驱动信号V₃波形。图2中1）为振荡脉冲V₈的波形，2）为驱动信号V₃的波形，3）、4）为电压反馈和电流反馈值经过误差放大后的波形（V₂和V₁的波形）。

图1  PWM逻辑电路及输出电路

    由图2可知，当反馈电流的误差放大值V₁大于反馈电压的误差值V₂时，比较器就输出高电平，驱动信号变成低电平，使MOSFET管关断，直到下一个振荡脉冲到来，MOSFET管才开通，因而可以看出，该电路采用的是电流的峰值控制。

图2  PWM波形图

    图3为启动电路图。

图3  启动电路图

    该启动电路由双极性晶体管Q₁，稳压二极管D₁,D₃和二极管D₂以及电容C₁构成。在电路启动的初期，输入的直流电源通过双极性晶体管Q₁给电容C₁充电，使电路开始工作。等到反馈的电压值Feedback比电路中的稳压二极管D₁的稳压值大时，双极性晶体管Q₁被关断，该电路停止工作。PWM比较器的工作电压由Feedback信号提供。这种电路的优点是可以有效地减小损耗，而很多国外产品的启动电路是由大电阻和电容构成，因而在电阻上将会有一定的损耗。

    在图1的驱动控制电路中，我们还可以看到，该电路有逐周电流检测功能。逐周的峰值漏极电流限制电路以原边电流的采样电阻作为检测电阻。器件内部的PI调节器的输出值设有＋5V的电压限制，而采样电阻上的电压值放大5倍后与PI调节器的输出值进行比较，故设计电路时就可以精确地计算出电流峰值，通过选定采样电阻值和原副边的匝数比来进行电流限制。当MOSFET的漏极电流太大使采样电阻上的压降放大后超过＋5V的阈值时，MOSFET就会被关断，直到下一个时钟周期开始。

3  动态性能试验

    1）负载变化时输出电压的动态特性

    当负载变化时，输出电压也在瞬间变化，然后反馈到控制引脚，器件内部的控制电路就会做出相应的调整，改变MOSFET器件开关的占空比，以实现输出电压稳定的目的。

    图4（a）是负载变小时输出电压波形的变化情况。负载变小，输出电压变大，导致电压反馈的误差放大值变小，脉宽调制器的输出波形的占空比变小，使输出电压变小，最终使输出电压趋向于稳定值。此时，输出电压的反馈值为＋5V。

    图4（b）是负载变大时的输出电压波形。同理，可以分析出输出电压的变化过程。

图4  负载变化时输出电压的动态特性图

    在同一个输入电压不同负载情况下MOSFET器件的u_DS的波形如图5所示。

图5  负载变化时开关管的u_ds波形

    图5上半部分是负载为40Ω时的波形，图5下半部分是负载为30Ω时的波形。由图5可知，在不同负载下，MOSFET器件开关的占空比是不相同的，负载大则MOSFET器件的导通时间长。

    2）输入电压变化时输出电压的动态特性

    当输入电压发生变化时，输出电压也会在瞬间随着发生变化，由于输入电压的变化直接导致输入电流的变化，在电流采样电阻上的压降的上升斜率随着变化，可以直接导致输出占空比的改变，同时，输出电压的反馈环节同样起着调节作用。图6为输入电压变化时输出电压的变化情况。

    图6（a）为输入电压由200V减小到150V时的输出电压的波形。从图中可以看出，经过短暂的时间调整后，输出电压重新趋向于稳定值，并且输出电压的变化非常小。

    图6（b）为输入电压由150V变到200V时的输出电压波形。

图6  输入电压变化时输出电压的动态特性

4  结语

    本文在给出反激电路拓扑的基础上，通过实际的分立元器件搭构实现该拓扑。给出多组试验波形，以此分析了驱动控制电路的特点以及工作性能。试验证明，这种电路控制方法简洁，性能优良。该电路不仅可以应用于反激式电路，也可以应用于正激式和其它DC/DC电路中。由于所有元器件由分立元器件搭构，这就为将来的集成化，以至最终研制芯片提供了基础，验证了可行性。

参考文献

[1]  沙占友.新型特种集成电源及其应用[M].北京：人民邮电出版社，1998.

[2]  张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，1998.

[3]  何希才.新型开关电源设计与应用[M].北京：科学出版社，2001.

[4]  林渭勋.电力电子技术基础[M].北京：机械工业出版社，1990.

作者简介

    叶剑利（1979－），浙江大学电力电子专业硕士研究生，研究方向电力电子技术。

    李明峰（1977－），浙江大学电力电子专业硕士研究生，研究方向变频调速集成化。