專利名稱：反激式零電壓軟開關(guān)開關(guān)電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高頻開關(guān)電源，尤其涉及反激式、零電壓軟開關(guān)準(zhǔn)諧振高頻開 關(guān)電源的電路拓?fù)浞桨浮?br> 技術(shù)背景
低成本、通用型3842/3/4/5類脈寬調(diào)制(P麗)控制集成電路(IC)在單端、 固定頻率電路拓?fù)渲芯哂写硇浴＠鏤C3842/3/4/5，數(shù)據(jù)手冊(cè)引用ST公 司UC3842/3/4/5數(shù)據(jù)手冊(cè)。特別是在制作小功率反激式開關(guān)電源應(yīng)用中(〈100W) 電路拓?fù)浜?jiǎn)單，總體成本較低。其特點(diǎn)是電流型，PB1控制輸出，開關(guān)頻率固定。
3842/3/4/5類P麗控制集成電路應(yīng)用十分廣泛，但3842/3/4/5屬于固定頻 率P麗控制電路，用3842/3/4/5常規(guī)電路拓?fù)渲谱鞯姆醇な介_關(guān)電源無法實(shí)現(xiàn) 零電壓軟開關(guān)。
隨著開關(guān)電源技術(shù)的進(jìn)步，開關(guān)電源向高頻化、高功率密度、高可靠性、低 電磁干擾(EMI)發(fā)展已是當(dāng)今電源設(shè)計(jì)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(diǎn) 也已充分顯現(xiàn)。由于開關(guān)是硬切換，功率場(chǎng)效應(yīng)管(M0SFET)上的輸出電容及 其他分布電容在開關(guān)開通時(shí)的損耗無法避免，這就意味著硬開關(guān)P麗控制電路 有開關(guān)損耗大、功率MOSFET溫升高、電磁干擾大等等無法克服的缺點(diǎn)。
圖1為反激式主電路圖。零電壓軟開關(guān)由于是在功率MOSFET上漏極電壓過 零時(shí)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。另外由于零 電壓軟開關(guān)電路拓?fù)浣佑兄C振電容Cr，在MOSFET關(guān)斷時(shí)，由于高頻變壓器上漏
感的存在，在對(duì)諧振電容Cr充電是按一定的斜率上升，雖然此時(shí)漏極電流為峰
值Ip，但漏-源電壓仍很低，此時(shí)MOSFET關(guān)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(guān)電路 路輸出同樣的功率時(shí)零電壓軟開關(guān)電路的效率更高。因此，電源的可靠性也更
常規(guī)的用3842/3/4/5 P麗控制IC制作的反激式電路拓?fù)涞娜毕菰谳斎腚?壓變化或負(fù)載變化時(shí)，3842/3/4/5通過反饋環(huán)路自動(dòng)調(diào)整脈寬輸出，達(dá)到穩(wěn)定 輸出的目的。但輸入電壓變化或負(fù)載變化是隨機(jī)的，無法預(yù)知。3842/3/4/5僅 僅是改變輸出脈寬，M0SFET的開通時(shí)間是固定的，所以無法實(shí)現(xiàn)零電壓開通的 硬件條件。為實(shí)現(xiàn)零電壓開通，芯片必須具有波形跟隨能力，即同步能力。多 家國(guó)外著名的集成電路生產(chǎn)商已經(jīng)開發(fā)出專門用于反激式的準(zhǔn)諧振控制芯片， 但昂貴的價(jià)格令對(duì)成本敏感的產(chǎn)品望而卻步。因此，尋求零電壓軟開關(guān)的低成 本解決方案具有現(xiàn)實(shí)意義。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提出一種反激式零電 壓軟開關(guān)開關(guān)電源，能夠降低開關(guān)損耗，輸出更大功率，并降低電磁干擾。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明專利提出了一種反激式零電壓軟開關(guān)開關(guān)電源， 包括第一集成電路、第一三極管、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管連接到第一高頻變壓器， 所述振蕩電路上還并聯(lián)有外同步電路。
作為優(yōu)選，所述振蕩電路包括第十一電阻和第九電容，所述外同步電路并 聯(lián)在第九電容兩端。
作為優(yōu)選，所述外同步電路包括第十三電容、第十五電阻、第十二極管、 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管的負(fù)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管 的正極，第十二極管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(yōu)選，所述外同步電路還包括第八二極管，所述第八二極管并聯(lián)在第 九電容的兩端。
作為優(yōu)選，所述外同步電路還包括第九二極管，所述第九二極管的正極接 第八二極管的正極，負(fù)極接第一高頻變壓器的輸入端。
作為優(yōu)選，所述第一集成電路采用UC3842芯片或者UC3843芯片或者UC3844 芯片或者UC3845芯片。
本發(fā)明專利的有益效果本發(fā)明采用外同步電路對(duì)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(shí)間變?yōu)榭勺?，雖然電容的放電時(shí)間也是 固定的，但改變了充電時(shí)間，使得第一集成電路輸出高電平的時(shí)間變?yōu)榭煽兀?實(shí)現(xiàn)了同歩變頻。降低了開關(guān)損耗，比常規(guī)的3842/3/4/5類反激式電路拓?fù)渚?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(jià)格比。而且電磁干擾更低，該電源能應(yīng)用在對(duì)電磁干擾敏感的設(shè)備上，可 靠性更高。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對(duì)本發(fā)明的 限定。


圖l是反激式主電路圖2是UC3842/3/4/5芯片的RC振蕩原理圖3是本發(fā)明反激式零電壓軟開關(guān)開關(guān)電源的電路框圖4是本發(fā)明反激式零電壓軟開關(guān)開關(guān)電源的電路原理圖；'
圖5是采用外充電電路快速注入電荷后輸出高電平開始對(duì)伺及實(shí)現(xiàn)與Vf谷-
點(diǎn)同步的VCt波形圖。
具體實(shí)施方式
參閱圖l，反激式主電路圖，零電壓軟開關(guān)由于是在功率MOSFET上漏極電 壓過零時(shí)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 由于零電壓軟開關(guān)電路拓?fù)浣佑兄C振電容Cr，在MOSFET關(guān)斷時(shí)，由于高頻變壓 器上漏感的存在，在對(duì)諧振電容Cr充電時(shí)按一定的斜率上升，雖然此時(shí)漏極電 流為峰值，但漏-源電壓仍很低，此時(shí)M0SFET關(guān)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(guān) 電路路輸出同樣的功率時(shí)零電壓軟開關(guān)電路的效率更高。
要實(shí)現(xiàn)反激式零電壓軟開關(guān)需要具備以下條件
第一個(gè)條件電路必須工作在電流不連續(xù)(DCM)方式，(注連續(xù)電流CCM 方式的零電壓軟開關(guān)方案不在本設(shè)計(jì)的考慮范圍。)只有存儲(chǔ)在初級(jí)電感(Lp) 的儲(chǔ)能全部傳輸?shù)酱渭?jí)后，初級(jí)電感Lp才能與諧振電容Cr產(chǎn)生諧振。諧振電 容Cr上存儲(chǔ)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(jí)電感Lp回饋給電源產(chǎn)生諧振。諧振電容Cr上的電壓由于 有初級(jí)電感Lp的作用才能按正弦規(guī)律對(duì)諧振電容Cr反向充電，形成V^ (Cr上 的電壓)波谷。
第二個(gè)條件MOSFET必須在V^的波谷點(diǎn)開通。要同步￥&波形，檢測(cè)Va的 谷點(diǎn)，保證在每個(gè)周期的V。,谷點(diǎn)開通MOSFET。由于輸入電壓變化或負(fù)載變化的 隨機(jī)性，要跟隨Vei.的谷點(diǎn)這就意味著P麗控制芯片的頻率要跟隨輸入電壓的變 化或負(fù)載的變化而變化。而UC3842/3/4/5為固定頻率芯片，本設(shè)計(jì)克服了 3842/3/4/5芯片非變頻設(shè)計(jì)的規(guī)則，用3842/3/4/5類P麗控制IC芯片，在設(shè) 計(jì)允許范圍內(nèi)的輸入電壓變化和負(fù)載從最重到開路能全程同步Ve,.的谷點(diǎn)，保證 在谷點(diǎn)開通M0SFET。第三個(gè)條件Vf要大于等于Vin，諧振電容Cr上的電壓才能過零?；貟唠?壓Vf要要大于等于輸入電壓Vin。這個(gè)是非必要條件，但Vf大于等于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(shí)現(xiàn)MOSFET零電壓開 通。這會(huì)使加在M0SFET上漏極的電壓等于2倍的Vin。在工程上還得考慮M0SFET 的耐壓。設(shè)計(jì)在較低的Cr電容電壓時(shí)開通MOSFET，既能減小諧振電容Cr和其 他分布電容的儲(chǔ)能，又能最大限度地降低MOSFET的耐壓。設(shè)計(jì)時(shí)兼顧考慮。即 工作在準(zhǔn)諧振方式。Vf的值的計(jì)算是Vf=N*(Vout+Vd)。(注N是變壓器的匝 比，Vout是輸出DC電壓，Vd是輸出整流二極管的導(dǎo)通壓降。)
參閱圖2，UC3842/3/4/55芯片的RC振蕩原理圖(摘自ST公司UC3842/3/4/5 數(shù)據(jù)手冊(cè))。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(guān)系。從UC3842/3/4/5數(shù)據(jù)手冊(cè)查得，Ct上的充放電波形的峰-峰值為1. 6V。 當(dāng)Ct電容上的電壓降到峰谷時(shí)，6腳OUTPUT輸出高電平，驅(qū)動(dòng)MOSFET導(dǎo)通。 當(dāng)Ct電容上的電壓升到峰峰時(shí)，6腳OUTPUT輸出低電平，驅(qū)動(dòng)MOSFET關(guān)斷。 Ct電容上的電壓從峰谷上升到峰峰的時(shí)間(即6腳OUTPUT輸出高電平時(shí)間)是 由接在8腳5V電壓基準(zhǔn)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(shí)間(即6腳OUTPUT輸出低電平時(shí)間)是由接在4腳的Ct電容， Rt電阻和芯片內(nèi)部的放電三極管共同作用得到的。
從波形看，要同步6腳OUTPUT輸出高電平好象不可能，因?yàn)?腳OUTPUT 輸出高電平在Ct電容的峰谷處。因?yàn)?腳OUTPUT輸出高電平后，高電平脈沖 寬度是通過反饋環(huán)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(xì)分析看到，Ct電容上的波形沒變，Ct電容上充電時(shí)間和放電時(shí)間 是不變的，就是一旦RC的值確定后，芯片的頻率是不變的。要改變芯片的頻率， 也就是說只要改變對(duì)Ct電容的充電速率即可。鑒于此原理可以用外電路來對(duì)Ct 電容快速注入電荷，使原本固定的Ct電容電壓上升時(shí)間變?yōu)榭勺儭ｋm然Ct電 容的放電時(shí)間也是固定的，但改變了充電時(shí)間，使得芯片的6腳OUTPUT輸出高
電平時(shí)間變?yōu)榭煽?。即可同步變頻成為可能。
參閱圖3，反激式零電壓軟開關(guān)開關(guān)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管Q1連接到第一高頻變壓器T1，所述振 蕩電路1上還并聯(lián)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并聯(lián)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、第十二極管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 十二極管D10的負(fù)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管D10 的正極，第十二極管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還包括第八二極管D8，所述第八二極管D8并聯(lián)在 第九電容R9的兩端。所述外同步電路2還包括第九二極管D9，所述第九二極管 D9的正極接第八二極管D8的正極，負(fù)極接第一高頻變壓器Tl的輸入端。所述 第一集成電路IC1采用UC3842芯片或者UC3843芯片或者UC3844芯片或者 UC3845芯片。
在設(shè)計(jì)時(shí)，按電源的LpCr諧振時(shí)間來選定Ct決定Ct的放電時(shí)間。按電源 的最低開關(guān)頻率來決定Rt決定Ct的充電時(shí)間。這樣就決定了用該芯片設(shè)計(jì)的 開關(guān)電源的最低頻率。只要外加合適的同步電路，用該芯片實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān) 成為可能。
參閱圖5，采用外充電電路1對(duì)第九電容C9快速注入電荷，改變6腳OUTPUT 輸出高電平開始時(shí)間及實(shí)現(xiàn)與Vf谷點(diǎn)同步的VCt波形圖。
本實(shí)施例中反激式準(zhǔn)諧振零電壓軟開關(guān)開關(guān)電源為核心的開關(guān)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(yōu)點(diǎn)。用UC3843芯片實(shí)現(xiàn)了反激式零電壓軟開關(guān)開關(guān)電源。
C5是諧振電容，Ql是功率MOSFET管，工C1是UC3843 P麗控制芯片，Tl是 高頻變壓器，D12是輸出整流二極管，IC2是隔離光藕，輸出端采樣反饋控制輸 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。
工作頻率的確定由于3843芯片的工作要跟隨輸入電壓及負(fù)載輕重的變化自 動(dòng)改變頻率，因此芯片的工作周期不固定。但可以用算式表達(dá)為T二Ton+Toff+Tr。 整理后得到
T二 (Ip禮p/Vin)+Ip*Lp/(N*Vout) + it * (Lp*Cr) ('■5 注T:周期，
Ip:變壓器初級(jí)峰值電流， Lp:變壓器初級(jí)電感量，
Vin:輸入DC電壓，
N:變壓器初、次級(jí)匝比，
Vout:次級(jí)輸出DC電壓，包括二極管壓降、變壓器次級(jí)線阻壓降
Cr:諧振電容。
F=l/T。注F:頻率。 初級(jí)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(yù)計(jì)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(tài)，理想設(shè)計(jì)是Vf》Vin。如果考慮MOSFET的耐 壓Vf可適當(dāng)取小點(diǎn)。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，包括二極管壓降、變壓器次級(jí)線阻壓
降
用3842/3/4/5類P碰控制IC，實(shí)現(xiàn)反激式零電壓軟開關(guān)準(zhǔn)諧振高頻開關(guān)電 源的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比常規(guī)3842/3/4/5類反激式電路拓?fù)渚哂懈叩碾娫醋儞Q 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(jià)格比。而 且EMI更低，電源能應(yīng)用在對(duì)電磁干擾敏感的設(shè)備上，可靠性更高。具有用專 門準(zhǔn)諧振控制芯片實(shí)現(xiàn)的零電壓軟開關(guān)準(zhǔn)諧振高頻開關(guān)電源的一切優(yōu)點(diǎn)。用此 電路拓?fù)渲谱鞯拈_關(guān)電源市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)。
當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情 況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但 這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.反激式零電壓軟開關(guān)開關(guān)電源，包括第一集成電路(IC1)、第一三極管(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管(Q1)連接到第一高頻變壓器(T1)，其特征在于所述振蕩電路(1)上還并聯(lián)有外同步電路(2)。
2. 如權(quán)利要求1所述的反激式零電壓軟開關(guān)開關(guān)電源，其特征在于所述振蕩電路(1)包括第十一電阻(R11)和第九電容(R9)，所述外同步電路(2) 并聯(lián)在第九電容(R9)兩端。
3. 如權(quán)利要求2所述的反激式零電壓軟開關(guān)開關(guān)電源，其特征在于所述外同 步電路(2)包括第十三電容(C13)、第十五電阻(R15)、第十二極管(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)的一端及第十二極管(D10) 的負(fù)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管(D10)的正極，第十二極管(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(quán)利要求3所述的反激式零電壓軟開關(guān)開關(guān)電源，其特征在于所述外同 步電路(2)還包括第八二極管(D8)，所述第八二極管(D8)并聯(lián)在第九電 容(R9)的兩端。
5. 如權(quán)利要求4所述的反激式零電壓軟開關(guān)開關(guān)電源，其特征在于所述外同 步電路(2)還包括第九二極管(D9)，所述第九二極管(D9)的正極接第八 二極管(D8)的正極，負(fù)極接第一高頻變壓器(Tl)的輸入端。
6. 如權(quán)利要求1至5中任何一項(xiàng)所述的反激式零電壓軟開關(guān)開關(guān)電源，其特征 在于所述第一集成電路(IC1 )采用UC3842芯片或者UC3843芯片或者UC3844 芯片或者UC3845芯片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種反激式零電壓軟開關(guān)開關(guān)電源，包括第一集成電路、第一三極管、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管連接到第一高頻變壓器，所述振蕩電路上還并聯(lián)有外同步電路。本發(fā)明采用外同步電路對(duì)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(shí)間變?yōu)榭勺?，使得第一集成電路輸出高電平的時(shí)間變?yōu)榭煽?，?shí)現(xiàn)了同步變頻。降低了開關(guān)損耗，比常規(guī)的3842/3/4/5類反激式電路拓?fù)渚哂懈叩碾娫醋儞Q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(jià)格比。而且電磁干擾更低，該電源能應(yīng)用在對(duì)電磁干擾敏感的設(shè)備上，可靠性更高。
文檔編號(hào)H02M3/24GK101345481SQ20081012030
公開日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2008年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月19日
發(fā)明者鄭皆樂 申請(qǐng)人:浙江光益光能科技有限公司