基于UC3846的新型开关电源的设计

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基于UC3846的新型开关电源的设计

摘要：研究了一种新型开关电源的设计。它采用移相全桥PWM控制电路，输出较大的功率，并具有体积小、重量轻、开关频率高等优点。给出了各部分相应的电路图，并进行了详细的介绍。    关键词：软开关；开关电源；变压器
引言
近年来，随着航空、航天和计算机事业的发展，对电源在体积、重量和效率等方面提出了越来越高的要求。开关电源就是在这种情况下发展起来的一种小型电源。它具有体积小、重量轻、频率高、成本低、效率高等一系列优点。同时，由于它的线路简单，可靠性高，而被广泛地应用于航空、航天和电子计算机等方面。本文设计了一个由UC3846产生PWM进行脉宽调制的移相全桥开关电源。
1 开关电源主电路的设计
在主电路中采用了移相全桥软开关电路，如图1所示。


图1

    在此电路中，输入为AC220V电压，经过二极管整流桥把交流电变成直流电，为了消除此直流电压的脉动，在设计时采用了π型滤波电路。后接一个移相全桥软开关电路，使功率管实现零电压零电流开通和关断，将电路在工作时的功率损耗减至最小。输出为±23V/15A和±200V/0.8A，总功率P=2×23×15＋2×200×0.8=1010W，因此，也可以称此开关电源为大功率开关电源。
变压器的设计是该电源的一个关键部分，而常规设计采用一大堆繁杂的公式进行推导，运算量较大，难免造成结果错误。鉴于此，本文采用图表的方法对原、副边进行设计，并考虑开关管导通压降等实际情况进行适当微调。该变压器的具体设计如下。


式中：n1，n2为一、二次绕组的股数；
dp，dz为一、二次绕组的线径；
S0K0为磁芯窗口使用面积；
Np，Nz为一、二次绕组的匝数。

U1为输入直流电压；
U1r为整流管压降；
U1T为每匝电压值；
D为占空比，本设计D为0.6。
变压器的工作频率选100kHz，绕组的线径可以选为0.5mm。根据计算，变压器磁芯选EI－50型铁氧体磁芯，查电子变压器手册可知窗口使用面积为48.97mm2，每匝电压值为8.044V/匝。由此可得原边匝数为29匝，副边分别为6匝和45匝，经过实际的调试，最终确定为原边29匝，副边分别为5匝和44匝。在这种情况下，该开关电源运行良好。
应用全桥电路，要特别注意上下两个功率管的直通问题，如果出现直通，功率管将烧毁，甚至整个电源全部毁掉。在这个开关电源中，我们采用了UC3846产生脉宽调制信号，用IR2110来驱动功率管，很好地避免了这个问题的发生。

2 PWM产生电路
由于UC3846能同时产生两路PWM的输出，用一块UC3846就可以来驱动两块IR2110，这给设计带来了很大的方便，这样也可以满足体积小的要求。UC3846的引脚及PWM产生电路如图2所示。
图2中，UC3846的引脚13和15接40V电源，它所产生的PWM的频率用式（1）计算。

UC3846产生的PWM信号由引脚11和14输出来控制IR2110，由2块IR2110来产生4个功率管的驱动信号。
3 驱动电路的设计
IR2110采用14端DIP封装，引出端排列如图3所示。
它的各引脚功能如下：
脚1（LO）是低端通道输出；
脚2（COM）是公共端；
脚3（Vss）是低端固定电源电压；
脚5（Us）是高端浮置电源偏移电压；
脚6(UB)是高端浮置电源电压；

    脚7（HO）是高端输出；
脚9（VDD）是逻辑电路电源电压；
脚10（HIN）、脚11（SD）、脚12（LIN）均是逻辑输入；
脚13（Vss）是逻辑电路地电位端外加电源电压，其值可以为0V；
脚4、脚8、脚14均为空端。
它的功能原理图如图4所示。


图4

    IR2110采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS工艺制作，具有独立的高端和低端输出通道；逻辑输入与标准的CMOS输出兼容；浮置电源采用自举电路，其工作电压可达500V，du/dt=±50V/ns，在15V下的静态功耗仅有1.6mW；输出的栅极驱动电压范围为10～20V，逻辑电源电压范围为5～15V，逻辑电源地电压偏移范围为－5V～＋5V。IR2110采用CMOS施密特触发输入，两路具有滞后欠压锁定。推挽式驱动输出峰值电流≥2A，负载为1000pF时，开关时间典型值为25ns。两路匹配传输导通延时为120ns，关断延时为94ns。IR2110的脚10可以承受2A的反向电流。
图5给出了IR2110在本设计中驱动全桥电路功率管的电路。IR2110的开通与关断传输延迟时间是接近匹配的（失配时间不大于10ns），开通传输延迟时间比关断传输延迟时间长25ns，这就保证了功率管在工作时不会发生重叠导通，为了更加安全起见，可在功率管的栅极上加一电阻与二极管网络（如图5中所示），这些电阻、二极管网络可进一步延迟功率管的导通而对其关断没有影响，这就相当于增加了死区时间。

4 结语
目前，该开关电源已投入使用，经过长时间运行，具有非常可靠的性能。实践证明，开关电源具备体积小、重量轻、效率高等优点，在未来的应用中，开关电源必将占据主导地位。