基于全桥移相控制器UC3879的开关电源设计-电子工程世界

分享到: 微博; QQ; 微信; LinkedIn

电源按控制方式一般可分为线性电源和开关电源两类。其中：线性电源的输出纹波较小、电磁兼容性较好，但效率较低、发热较大、电源体积较大；开关电源以其效率高、发热量较小、体积小、重量轻，逐渐取代了线性电源。
    全桥移相的开关电源控制方式拓扑结构简洁，控制方式简单。在这种控制方式下：开关频率恒定，有利于滤波器的优化设计；可实现开关管的零电压开关，减小了开关损耗，提高了电源的工作效率；由于元器件的电压和电流应力较小，降低了元器件的性能要求，使电源成本降低。因此，在中、大功率的开关电源设计过程中多采用全桥移相的控制方式。
    笔者在此基础上利用全桥移相技术，进行了300 W开关电源的设计。

1 设计要求
    拟设计的开关电源的技术指标如下：
    (1)输入电压范围：DC 18 V～36 V；
    (2)输出电压：DC 24 V；
    (3)输出电压微调：标称输出电压的±10％；
    (4)额定输出电流：12 A；
    (5)负载调整度：±1％；
    (6)输出电压纹波峰峰值：200 mVp-p；
    (7)过流保护：15 A；
    (8)工作温度：-20℃～+85℃；
    (9)环境湿度：相对湿度90％(35℃)。

2 开关电源的设计
    由于开关电源输出的功率较大，所以采用全桥移相的控制方式。电源主控芯片选用TI公司的全桥移相型PWM控制器UC3879，UC3879可对两个半桥开关电路的相位进行移相控制，实现功率级的恒频PWM控制；UC3879的4个输出端分别驱动A／B、C／D 2个半桥，每个半桥都能进行单独的导通延时(死区)调节，在该死区时间内确保下一个导通管的输出电容放电完毕，为即将导通的开关管提供零电压开通条件；UC3879可工作在电压模式和电流模式下，并具有1个独立的过电流关断电路以实现故障的快速保护。其电气特性如下：
    (1)可实现0～100％的占空比控制；
    (2)开关频率可达2 MHz；
    (3)两个半桥输出的导通延时可单独编程；
    (4)支持欠压锁定功能；
    (5)软启动控制功能；
    (6)锁定后的过流比较器在整个控制周期内均可重新启动；
    (7)适用于电压拓扑和电流拓扑；
    (8)在欠压锁定期间输出自动变成低电平；
    (9)启动电流仅150μA；
    (10)误差放大器带宽为10 MHz。
    在开关电源的设计过程中，变压器设计是整个开关电源设计的核心，对开关电源性能有决定性的影响。现将这部分设计分述如下：
2．1 变压器设计
    变压器设计的关键是磁芯的选取、原边／副边匝数的计算。在此，为避免开关电源产生的开关噪声对负载的干扰，选取开关频率为36 kHz，在此开关频率的基础上进行变压器的设计。
2．1．1 磁芯选择
    36 kHz开关频率条件下：

式中：Ap--磁芯面积乘积；
          Ae--磁芯有效截面积；
          AQ--窗口截面积；
          PT--开关电源输出功率；
          η--开关电源效率，在此为0．8；
          fs--变压器的开关频率；
          Bm--磁通密度；
          Km--窗口占空系数，与导线粗细、绕制工艺及漏感和分布电容的要求等有关；
          KC--电流密度系数，与铁心形式、温升要求等有关。
     为保证磁芯具有一定裕度，选取TDK E150磁芯，该磁芯Ap=4．14(Ae=230 mm2，Aw=180 mm2)，能够满足要求。
2．1．2 原边／副边匝数计算
    为减小导线的趋肤效应，选取导体标称直径d=0．630 mm的导线，原边12根并绕，副边8根并绕。
    原边匝数：

    式中：VDT--MOSFET漏源压降；
          D--原边绕组占空比；
          Bmax--最大磁通密度；
          Vdc(min)--直流母线电压最小值；
          T--开关周期，T=1／fs。
    尝试取原边匝数Np=4时，副边匝数为：

考虑到导线的集肤效应(集肤深度约0．38 mm)，选取标称直径0．630 mm的导线。其外径为0．68 mm(1级)。
    原边并绕根数：

    取8根。
    下面计算绕组总面积：
    原边绕组面积=Np×原边并绕根数x0．6302=30．95 mm2．
    副边绕组面积=Ns×副边并绕根数x0．6302=22．2 mm2．
    总面积=原边绕组面积+副边绕组面积*2=84．12 mm2．

3 全桥移相变换器工作原理
    全桥移相变换器是输出功率最高的一类，其拓扑原理图如图2：

全桥移相变换器通过改变功率开关控制策略，使其中一个功率管先关断，一次绕组的另一端仍与地相连，这使得漏感、谐振电感和MOSFE T的输出电容构成谐振网络。这样，一次绕组的开路端电压振荡到下管的母线端电位，然后下管MOSFET以ZVS(零电压开关)方式开通。接着与一次绕组滞后端相连的MOSFET可以关断，且滞后端振荡到上管母线端电位，最后上管MOSFET开通。MOSFET的开通、关断波形见图3。

    由于MOSSFET管在关断瞬间，一次绕组的两端都有一个单端流过的负载电流，所以每个MOSFET都实现了ZVS开通、关断，错开了功率器件大电流和高电压同时出现的硬开关状态，抑制了MOSFET开通、关断时产生的电压尖峰，减少了开关损耗与干扰。

4 谐振电感设计原则
    ZVS的实质就是：利用谐振过程对并联电容充放电，让某一桥臂电压Ua或Ub快速升至电源电压或降至零值，使同一桥臂即将开通管的并联二极管导通，把该管两端电压迅速钳在零位。而在主变压器源端串接自我谐振电感Lr，可促使变换器滞后臂实现ZVS。
    由于只有Lr参与谐振，如果谐振开始时Lr电流iLr较小，Lr储能不够，电容C的谐振电压Uc的峰值就有可能达不到Uin，开关管的并联二极管就不能导通，其对应的开关管就不能实现零电压开通。为了使电容的谐振电压峰值能够达到Uin，电感的储能必须足够，在谐振开始时电感Lr的电流iLr(0)必须满足：

    这一不等式是设计谐振电感Lr的依据。
    Lr取值较大可有效抑制原边电流急剧变化引起的寄生振荡，减小上冲或下冲的尖峰毛刺，降低开关损耗；但Lr过大又会延长占空比丢失时间，降低整机效率。Lr取值小些可缩短原边电流在死区时间谐振过零的反向过程，在输入电压最低、输出电流最大时仍能控制移相稳压，提升电源效率；但Lr过小，虽使占空比丢失减小，但原边电流上冲或下冲的尖峰毛刺会显著增大，增大开关损耗，降低电源的可靠性。因此，在实际的设计过程中，在允许的范围内要多做比较，不断优化，以试验数据为准。

5 结论
    经设计、调试后，开关电源在环境实验及常温连续工作过程中输出电压稳定，动态响应较快，供电品质较高，满足设计指标要求。

关键字：全桥移相控制器 UC3879 编辑：冰封引用地址：基于全桥移相控制器UC3879的开关电源设计

上一篇：数字高频开关电源的应用
下一篇：三相交错式双向DC／DC储能变流器的研究

推荐阅读最新更新时间：2023-10-18 16:36

凌力尔特新推理想二极管桥控制器，大大提升效率

　　日前，凌力尔特公司推出一款用于 9V 至 72V系统的理想二极管桥控制器 LT4320。其采用低损耗 N 沟道 MOSFET 替代了全波桥式整流器中的全部 4 个二极管，以显著地降低功率耗散并增加可用电压。由于电源效率的提升免除了笨重的散热器，因此缩减了电源尺寸。通过免除二极管桥中固有的两个二极管压降提供了额外的裕度，低电压应用将从中获益。与传统的替代方案相比，MOSFET 桥可实现具有高空间利用率和电源效率的整流器设计。控制器的工作频率范围为 DC 至 600Hz。　　LT4320 开关控制电路平稳地接通两个适当的 MOSFET，同时将另外两个 MOSFET 保持在关断状态以防止反向电流。一个集成型充电泵负责为外部低导

[电源管理]

凌力尔特新推理想二极管桥<font color='red'>控制器</font>，大大提升效率

Vishay针对新型器件推出新款降压控制器

Vishay Intertechnology宣布推出一款新型高性能三输出降压控制器IC──SiP12203，该组件可在视讯转换盒、基地台、墙壁适配器、消费性电子设备及网络中间总线直流输入电源中实现高效的电源转换。在DSP、ASIC及FPGA电源以及双电源微处理器及DSP内核等众多应用中，这款新型SiP12203为两个开关降压电源轨及一个线性电源输出提供所需要的控制电路及保护功能。新型SiP12203的同步降压架构可使电压以高达94%的高效率进行转换。该组件具有4.5V～18V的输入电压范围，两个独立的输出可提供低至0.6V的可调电压，其可实现180°异相运作，从而降低EMI及RMS输入电流。

[电源管理]

CAST和Fraunhofer IPMS提供CAN-XL控制器IP核

IP提供商CAST和Fraunhofer IPMS日前宣布，为他们流行的CAN 2.0和CAN FD控制器IP核增加了CAN XL标准的支持。 CAN XL是一种新的数据通信协议，自2018年起由CAN-XL特别兴趣小组（CiA）组织，汽车和半导体代表（包括Fraunhofer IPMS）参与开发。目标是通过将CAN协议的数据有效载荷大小增加到2048字节，将其传输比特率提高到10Mbit/s，同时保持与CAN 2.0和CAN FD的互操作性，从而赋予CAN协议更强的能力。因此，CAN-XL将CAN协议的优点扩展到要求更高的应用，在面向信号的CAN-FD和面向服务的高速以太网之间提供了一个中间选择。针对早期采用者，CAS

[汽车电子]

基子ATmega103微控制器的家庭信息终端的设计

摘要：介绍了以Atmegal03为主控芯片的家庭信息终端在小区智能化建设中的应用。详细阐述了Atmegal03微控制器与触摸屏和nRF401无线数据收发芯片之间接口应用的软件与硬件技术要点。小区智能化建设在国内历经几年的发展，已经形成了一系列标准，它们的出现了满足了不同收入阶层对住房智能化的要求。而室内终端作为小区智能化建设中一个重要环节，也随着电子技术的发展和人们对住宅智能化要求的提高逐渐发展成一个集多种功能为一体的综合性信息服务处理平台。传统室内终端只能在用户室内进行简单的安防和电器的控制，已经不能满足人们对住宅智能化的要求。而家庭信息终端HIT(Home lnformation Termination)在具有安防

[单片机]

基子ATmega103微<font color='red'>控制器</font>的家庭信息终端的设计

Intersil推出高集成度直流直流数字PWM控制器

ZL8801允许将大电流数字电源配置为双相或并联，以便向高端FPGA和ASIC提供超过300A的负载电流。美国加州、MILPITAS--- 2014年9月30日 —创新电源管理与精密模拟解决方案领先供应商Intersil公司（纳斯达克交易代码：ISIL）今天宣布，推出ZL8801双相直流/直流数字PWM控制器。作为适合40A - 100A较高电流应用的简单双相解决方案，ZL8801扩大了Intersil的第四代控制器产品系列的阵容。由于支持多器件均流功能，其电流范围可扩大至300A，从而可以向服务器、存储设备和基站中使用的高端FPGA和ASIC提供电源。结合Intersil易于使用的PowerNavigator™图

[电源管理]

移动通信平台中使用的双路电源控制器MAX1715

摘要：讨论了MAX1715在移动通信平台中的应用方法，电路设计，参数计算及实验电路和实验结果。关键词：移动通信平台双路电源控制器自动脉宽跳变强制PWM模式引言专用移动通信平台（Especial Mobile Platform），简称EMP，是专门为特殊用户设计的，EMP可以使这些用户充分利用现有的蜂窝移动通信网的网络资源来传输他们的业务，从而节省了重新建网的费用和时间。EMP要求体积小，重量轻，功耗小，供电灵活，适应车载，具备“动中通信”条件，能适应部队、武警、公安、交通等部门和行业的使用需求。在EMP中常同时需要5V，3.3V，15V，以及可调的多路小功率直流电源以满足数据，语音，传真，短消息，全球定位等业务的需要。我

[电源管理]

基于单片无操作系统的 USB 主机控制器接口

1引言论文以Compaq、Microsoft 等公开的 USB 主机控制器接口规范为基础,遵循USB 主机的协议规范,开发了独立于操作系统的USB 主机底层驱动程序,并在S3C2410 平台上得到了验证。下面详细论述主机控制器接口规范及驱动程序实现。 2 USB 体系结构 USB 体系包括一系列的硬件层和软件层,如图1 所示。为了实现其可重用性和适合嵌入式系统特性，图 1 借鉴了PC 机上的USB 主机系统结构，同时对一些在嵌入式系统中不必要的功能进行了取舍。用户程序和USB 设备类驱动通过加工和分解IRP,构建相应的URB（Universal Request Block）并通过HCD(Ho

[电源管理]

基于单片无操作系统的 USB 主机<font color='red'>控制器</font>接口

基于STM32ZET6控制器的数字PDA系统的设计

0 引言以Cortex-M3为内核的处理器由于其低功耗以及低成本并且是32位处理器，越来越多的研究人员已经从51处理器、AVR等处理器开始转移到这个领域。数字PDA系统设计采用的是以Cortex-M3的内核STM32ZET6控制器，但是由于STM32ZET6内部没有MMU，不能移植WincE，Linux等操作系统，故只能应用ucLinux，μC／OS-Ⅱ等实时操作系统。传统的操作系统ucLinux，μC／OS-Ⅱ在微控制器中移植后，应用程序就开始了与操作系统、以及硬件驱动之间的交互，一旦要添加新的应用程序或者对应用程序的更改，代码的修改量以及整个操作系统的稳定性都会收到影响。这时就需要一种新的机制，能够在保证系统稳定性的基础上快

[单片机]