UC3875在移相式零電壓PWM軟開關(guān)電源中的應(yīng)用_圖文

1、文章編號:1004-289X(200802-0046-05UC3875在移相式零電壓P WM軟開關(guān)電源中的應(yīng)用楊旭麗(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南株洲4120001摘要:采用UC3875作控制的移相式零電壓P WM軟開關(guān)電源,具有高頻、高效節(jié)能、體積小等優(yōu)點,同時電源工作波形干凈,減少了輸出電壓的脈動分量,抑制了開關(guān)尖峰嗓聲,且運行可靠。關(guān)鍵詞:移相控制;UC3875單片機中圖分類號:TM76文獻標(biāo)識碼:BApp licati on of UC3875i n P WM Soft S w itchi ngPo w er Supply of Phase-shift Zero-voltageY ANG

2、 X u-li(H unan Ra il w ay Po lyterchn ic Co llege,Zhuzhou412000,Ch i n aAbstract:The phase-shift zero-vo ltage P WM soft s w itching po w er supp ly con tro ll e d by UC3875is of adventages of high frequency,h i g h e ffi c iency,ener gy conservation and s m a ll vo l u m e.M eanwh ile t h e w ork w

3、 ave for m s of the po w er supp l y are clean,reduce pulse co m ponent of output vo ltage,con tro l s w itch i n g spike no ise and re liable in operation.K ey words:phase sh ift contro;l UC3875si n g le ch i p processo r1前言移相控制電路是高頻開關(guān)電源的重要組成部分,很大程度上決定了開關(guān)電源的性能,其作用在于使全橋變換器的兩個橋臂開關(guān)管的導(dǎo)通角錯開一個角度,以獲得不同的占空

4、比,從而調(diào)節(jié)輸出電壓的高低。其核心是移相P WM控制器。本設(shè)計采用了專用移相控制集成芯片UC3875,它能夠產(chǎn)生四路移相控制的P WM信號,并且具有穩(wěn)壓、穩(wěn)流及多種保護功能。2UC3875概述UC3875軟開關(guān)移相P WM控制集成電路由美國Un itrode公司生產(chǎn)。該芯片的簡要介紹如下:UC3875能夠?qū)蓚€半橋開關(guān)的相位進行移動控制,實現(xiàn)半橋功率級的恒頻P WM控制。UC3875的四個輸出分別驅(qū)動兩個半橋,并都能單獨進行導(dǎo)通延時調(diào)節(jié),即死區(qū)時間的調(diào)節(jié),該死區(qū)時間可以確保下一個要導(dǎo)通的開關(guān)管的輸出電容能夠放電完畢,也就是開關(guān)管兩端的電壓可以在該時間內(nèi)降到零,因而實現(xiàn)了零電壓開通。其特性如下:

5、(1實用的開關(guān)頻率可達2MH z,可實現(xiàn)0%100%占空比控制;(2兩個半橋的輸出導(dǎo)通可單獨編程控制;(3具有軟起動功能;(4具有4個2A圖騰柱式輸出級;(5有10MH z誤差放大器;(6具有獨立的過流保護電路,可實現(xiàn)快速故障保護。過流故障發(fā)生后70ns內(nèi),全部輸出級都能轉(zhuǎn)入關(guān)斷狀態(tài)。過流故障消除后,該器件能夠自動重新開始工作;(7欠壓鎖定功能;211UC3875特點及引腳功能的介紹(1UC3875特點的介紹輸出導(dǎo)通延遲時間編程可控;自適應(yīng)延遲時間設(shè)置功能;雙向振蕩器同步功能;電壓模式控制或電流模式控制;軟起動/軟關(guān)機和控制器片選功能編程可控,單引腳控制;占空比控制范圍0%100%;內(nèi)置7MH

6、 z誤差放大器;最高工作頻率達到1MH z;工作電流低,500k H z下的工作電流僅為5mA;欠壓鎖定狀態(tài)下的電流僅為150L A。(2引腳說明UC3875移相諧振全橋軟開關(guān)控制器采用SO I C-20、PDI P-20、TSSOP-20和PLCC-20四種封裝形式,下面以PD I P-20為例進行介紹,其引腳排列如圖1所示。UCC3875系列移相諧振控制器采的引腳功能簡介如下:圖1UC3875引腳圖#EAN(引腳1:誤差放大器反相輸入端。#EAOUT(引腳2:誤差放大器輸出端。在控制器內(nèi)部,該端分別與P WM比較器和空載比較器的非反相輸入端相連,并鉗位于軟起動電壓。當(dāng)該端上的電壓低于500

7、mV時,控制器的輸出級將被空載比較器關(guān)斷。當(dāng)該端上的電壓升至600mV時,輸出級重新開通。#RAMP(引腳3:P WM比較器的非反相輸入端。在電壓模式或平均電流模式下,該端接CT(引腳7上的鋸齒波信號;而在峰值電流模式下,該端接電流信號。RAM P內(nèi)接放電晶體管,該晶體管在振蕩器死區(qū)時間內(nèi)觸發(fā)。#REF(引腳4:精密5V基準(zhǔn)電壓輸出端。控制器內(nèi)部的基準(zhǔn)電源一方面為控制器內(nèi)部的電路供電,另一方面還能夠向外接負載提供5mA的偏置電流。該基準(zhǔn)電源僅在欠壓鎖定狀態(tài)下關(guān)斷,而在其他失效狀態(tài)下仍能繼續(xù)工作。實際當(dāng)中,該端應(yīng)外接低ESR 和低ESL的旁路電容,其大小至少應(yīng)為011L F。#GND(引腳5:信

8、號地。#SYNC(引腳6:振蕩器同步信號輸出端。該端是雙向的,作為輸出端時,該端可以輸出時鐘信號。作為輸入端時,該端可以輸入外部同步信號,可實現(xiàn)多只控制器同步工作。該引腳還可以起到對CT引腳上的定時電容以及RAM P引腳上的濾波電容進行放電的作用。同步電路輸入電壓的下限閾值為119V,上限閾值為211V。為了減小同步脈沖的寬度,在SYNC和GND引腳之間應(yīng)接入一只3198的電阻。#CT(引腳7:振蕩器定時電容擊接入端。定時電容的充電電流由控制器控制,該定時電容上的鋸齒波峰值電壓為2135V。振蕩周期t osc可按下式進行估算:t osc=5R T C T48+120ns(1式中,C T的單位取

9、法拉;R T的單位取歐姆;t osc的單位取秒。#RT(引腳8:振蕩器定時電阻接入端。定時電容的充電電流是一個固定值,其大小由定時電阻RT 決定,如下式所示:I RT=310VR T(2#DELAB(引腳9/DELCD(引腳10:輸出端A -D延遲控制信號輸入端。延遲時間應(yīng)在同一橋臂中一只開關(guān)管關(guān)斷之后,另一只開關(guān)管開通之前加入,為諧振創(chuàng)造條件。延遲時間的估算可參照式(3:t dekay=2510-2R DELV DEL+25ns(3式中,V DEL的單位取伏特;R T的單位取歐姆;t dek ay 的單位取秒。#DELAB和DELCD能夠提供最大值為1mA的灌電流。實際當(dāng)中,應(yīng)保證DELAB

10、和DELCD引腳的雜散電容小于10PF。#ADS(引腳11:延遲時間設(shè)置端。當(dāng)ADS引腳直接與C/S引腳相連時,輸出延遲死區(qū)時間為零。當(dāng)ADS引腳接地時,輸出延遲時間最大。C/S引腳上的電壓為210V時的延遲時間是C/S電壓為0V時的4倍。輸出端A-D延遲控制信號輸入端上的電壓由下式?jīng)Q定:V DEL=0175(V CS-V ADS+015V(4式中,V CS和V AD S的單位取伏特。ADS引腳上的電壓需限制在0215V范圍內(nèi),并且不能超過C/S引腳上的電壓。另外,輸出端A-D 延遲控制信號輸入端上的電壓的最小值應(yīng)鉗位于015V,當(dāng)C/S上引腳上為高電平時,回路P WM波全部被封鎖,OUTA-

11、OUTD輸出為低電平。在設(shè)計時可通過單片機來檢測是否發(fā)生了故障,再發(fā)信號送C/S。#OUTA/OUTB/OUTC/OUTD(引腳18、17、14、13:驅(qū)動輸出端。這4個輸出端由互補MOS驅(qū)動電路構(gòu)成,能夠提供100mA的驅(qū)動電流,可以驅(qū)動FET 驅(qū)動電路。OUTA和OUTB是完全互補的,其占空比接近50%,可以驅(qū)動半橋電路。OUTC和OUTD也是如此。對于OUTA而言,OUTC的相位發(fā)生了移動;對于OUTB 而言,OUTD 的相位也發(fā)生了移動。#VDD(引腳15:偏置電源輸入端。該端需接低ESR 、低ESL 的旁路電容,其容量不可低于1L F 。#PGND (引腳16:功率地。該端為大電流輸

12、出級的接地端。#SS /D I SB(引腳19:軟起動/禁止端。通過該端可以實現(xiàn)軟起動和控制器快速禁止兩項獨立的功能。當(dāng)下面的四種情況之一發(fā)生時,控制器將被快速關(guān)斷:(1該端的電壓低于015V;(2REF 上的電壓跌落到4V 以下;(3VDD 上的電壓低于欠壓鎖定下限閾值;(4發(fā)生過零故障。當(dāng)故障排除或禁止?fàn)顟B(tài)結(jié)束后,如果VDD 上的電壓超過了起動閾值,而該端上的電壓在軟關(guān)斷過程中跌落到015V 以下,則將進入軟起動模式。此時,SS /D I SB 引腳上灌電流的大小將等于I R T 。軟起動時間的大小由SS /D I SB 引腳上的軟起動電容決定。另外,為了對該端上的最高電壓進行限制,還需要

13、在軟起動電容上并聯(lián)一只電阻。注意,無論是在軟起動、軟關(guān)斷,還是在禁止?fàn)顟B(tài)下,該端上的電壓都將被有源鉗位,其大小與E AOUT 上引腳上的電壓相等。#EAP(引腳20:誤差放大器的非反相輸入端。3 UC3875的參數(shù)設(shè)置電路設(shè)計UC3875的外圍電路典型結(jié)構(gòu)如圖2 所示。圖2 U C3875外圍電路311 開關(guān)頻率的設(shè)置FREQSET 腳的設(shè)定決定開關(guān)頻率的大小。在圖2中,由R 9、C 9決定此數(shù)值。如欲設(shè)計開關(guān)頻率為50k H z 的開關(guān)電源,根據(jù)式315,取C 9=4700PF ,R 9=17k 8,則可算出f =50k H z 。f =4R FREQ SETC FREQ SET(5其中:R

14、 FREQSET 頻率設(shè)置電阻阻值; C FREQSET 頻率設(shè)置電容容量。312 死區(qū)時間的設(shè)置UC3875的輸出驅(qū)動信號和零電壓開關(guān)的延遲時間由延遲設(shè)定端子(DELAYSETA /B ,DELAYSETC /D 的R 7、C 7和R 8、C 8確定?？煞謩e對A 、B 和C 、D 兩對開關(guān)器件進行編程。當(dāng)我們使用MOSFET 作為功率開關(guān)管時,延時時間一般可設(shè)置為23L s ,在圖312中,R 7、R 8取為100K,C 7、C 8取0101L F 即可滿足要求。313 保護設(shè)置圖2中,LF 來自運放的輸出,R 45是下拉電阻,保證當(dāng)LF 為低時C /S+腳為可靠低電平,R 6和C 6構(gòu)成一

15、個緩沖回路。314 其他設(shè)置為保證供電的可靠性,采用兩組獨立的電源供電,每組都有大電容旁路。兩組電源在一點接地。圖2中,C 3為基準(zhǔn)旁路電容,C 4為軟起動電容,C 5為斜面補償電容,R 1為斜坡電阻。E /A +為引入給定值,E /A -為引入的電壓或電流反饋信號。4 驅(qū)動電路設(shè)計本電源的主功率管選用的MOSFET,是電壓型驅(qū)動方式,驅(qū)動功率要求比較小。采用脈沖變壓器將功率管的驅(qū)動端和控制電路隔離。UC3875的驅(qū)動端具有2A 的電流峰值,但為了提高電路的可靠性,防止UC3875因為功率太大而損壞,所以采用達林頓驅(qū)動的晶體管組成輸出電路來驅(qū)動脈沖變壓器的原邊。超前橋臂的驅(qū)動電路如圖3所示,滯

16、后橋臂的驅(qū)動電路也一樣。圖3中,D1、D2和D3、D4是肖特基二極管,用于防止驅(qū)動管的電壓由于低于地或高于電源電壓而損壞。R 21和R 22是限流電阻,DW 1、D W 2和D W 3、DW 4是齊納穩(wěn)壓管,用來限制脈沖變壓器的輸出電壓,防止功率管損壞。T1、T3選用T I P122,T2、T4選用T I P127,T1T4是達林頓驅(qū)動的晶體管,耐壓為100V,持續(xù)電流為5A,峰值電流可達8A,其開啟時間和關(guān)斷時間分別為115L s 和215L s ,而開關(guān)電源的設(shè)計的頻率為50k H z ,即20L s115L s+215L s ,滿足設(shè)計要求。圖3 功率管驅(qū)動電路5 保護電路設(shè)計 除了輸出

17、電流限制外,本電源還設(shè)置有五個保護功能:輸入過壓保護、輸入過流保護、輸出過壓保護、輸出過流保護、過熱保護。五種保護都是通過一個或門UC3875的電流檢測端C /S +(5腳,使其電壓高于215V,導(dǎo)致UC3875關(guān)斷輸出。輸入、輸出電流分別取自串聯(lián)在輸入、輸出回路中的分流器上的信號(075mV 。過熱保護則是通過溫控開關(guān)實現(xiàn)的。511 光耦的選擇為了保證電路的可靠工作,控制電路必須和主回路隔離,因此來自主回路的電壓、電流反饋信號必須經(jīng)過光耦隔離。本設(shè)計中選擇TLP521系列,其參數(shù)如下:隔離電壓:2500V;驅(qū)動電流最大為50mA,三極管最大集射極電壓為55V,最大集射極電流為50mA,電流放

18、大倍數(shù)最小為015。上升時間為2L s ,在開關(guān)頻率低于50kH z 時,其性能滿足要求。512 輸入過壓、過流保護電路 因為采集輸入電壓、電流的信號只是供保護使用,因此對其線性度要求不高,只要成正向比例即可。輸入過壓保護電路如圖4所示。其中,R 35是限流電阻,其取值要保證輸入電流不超過光耦的最大驅(qū)動電流。VF 是由UC3875提供的基準(zhǔn)電壓(5V 。R W 2用來整定過壓保護值。LEDU 是保護動作指示燈。D11是止逆二極管,防止別的保護動作時,指示燈誤動作。LF 端的接法見圖4所示。 圖4 輸入過壓保護電路其工作原理如下:運放工作在非線性區(qū),當(dāng)比較器使用。當(dāng)輸入電壓高于整定值時,運放輸出

19、高電平(+15V ,過壓保護動作;否則,運放輸出低電平(0V,保護不動作。由于電流反饋信號是一個有正負極性的高頻脈沖信號,因此加了一個二極管和RC 吸收電路,以提高過流保護的精確性。513 輸出過壓、過流保護電路輸出過壓、過流保護電路完全一樣,如圖5所示。其原理與輸入保護電路相同,但I F2是來自線性光耦后的輸出反饋信號,LF2為輸出比較電壓電流。圖5 輸出過壓保護電路514 熱保護電路功率器件過熱時,性能降低,使用壽命縮短,嚴(yán)重時器件將損壞。因此有必要設(shè)置基于硬件的溫度保護電路,以確保系統(tǒng)的安全運行。采用兩個溫控開關(guān),分兩級對功率器件進行熱保護。使用時把溫控開關(guān)和功率器件一起安裝在散熱片上。

20、其中一個溫控開關(guān)選用40e 常開開關(guān),串聯(lián)在風(fēng)扇供電線路中,使用方法如圖6(b所示,當(dāng)散熱片溫度高于40e ,溫控開關(guān)閉合,起動風(fēng)扇散熱。另一個為80e 常開開關(guān),使用方法如圖6(a所示,LF 端的接法見圖1。當(dāng)散熱片溫度高于100e ,溫控開關(guān)閉合,LF 為高電平,UC3875的C /S +端電壓215V,UC3875關(guān)斷驅(qū)動輸出,導(dǎo)致功率管全部關(guān)斷。圖6 過熱保護原理圖6 總結(jié)采用UC3875作控制的移相式零電壓P WM 軟開關(guān)電源,具有高頻、高效節(jié)能、體積小等優(yōu)點,同時電源工作波形干凈,減少了輸出電壓的脈動分量,抑制了開關(guān)尖峰嗓聲,運行一直比較可靠。但是,這類芯片多用于輸出固定電壓的變換

21、器,并且變換器的輸出電壓較低,其控制方式為將輸出電壓反饋給芯片,芯片根據(jù)輸出電壓調(diào)節(jié)移相脈沖的移相角。如果使用這類芯片產(chǎn)生移相脈沖,那么可能的方式是通過控制其反饋電壓輸入端的電壓來控制移相脈沖的移相角;不過這類芯片的缺陷在于其移相角度難于精確控制;而在保證輸出電流恒定的情況下,需要精確控制移相角,采用基于單片機80C196KC 的移相電路的硬件電路。(下轉(zhuǎn)第51頁緊湊的結(jié)構(gòu)、靈活的配置和強大的指令集已廣泛應(yīng)用到了煤礦井下各種電器控制設(shè)備中。3 PLC 的性能特點PLC 是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上引入了微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置,用來取代繼電器,

22、執(zhí)行邏輯、記時、計數(shù)、運算以及智能通訊等順序控制功能,運行其嚴(yán)密的指令內(nèi)容,從而使它能夠監(jiān)視輸入狀態(tài),改變輸出狀態(tài)以達到控制目的,建立起柔性的程控系統(tǒng)。PLC 具有通用性強、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。PLC 程序既有生產(chǎn)廠家的系統(tǒng)程序,又有用戶自己開發(fā)的應(yīng)用程序,系統(tǒng)程序提供運行平臺,同時,還為PLC 程序可靠運行及信息與信息轉(zhuǎn)換進行必要的公共處理。用戶程序由用戶按控制要求設(shè)計,采用梯形圖編寫,梯形圖與電氣原理圖可建立起一定的對應(yīng)關(guān)系,有了這個對應(yīng)關(guān)系,用PLC 程序代表繼電邏輯是很容易的,這也是PLC 技術(shù)對傳統(tǒng)繼電控制技術(shù)的繼承。PLC 的編程語言是面向用

23、戶的,對使用者不要求具備高深的知識、不需要長時間的專門訓(xùn)練。PLC 屬于總線式開放型結(jié)構(gòu),其I/O 能力可按用戶需要進行擴展與組合,應(yīng)用極為靈活方便。4 采用可編程序控制器設(shè)計組合開關(guān)組合開關(guān)設(shè)計中采用可編程序控制器取代傳統(tǒng)意義的繼電控制和保護電路,在很大程度上簡化了硬件電路,并擴展了組合開關(guān)的電氣功能,如圖2所示。 圖2各回路信號處理電路采集負載工作電壓、工作電流及主電路漏電信號,由PLC 的A /D 模塊把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,再由PLC 的CP U 進行數(shù)字運算處理,判斷設(shè)備和負載的工作情況是否正常,當(dāng)出現(xiàn)過壓、過流及漏電故障時,內(nèi)部程序控制I/O 模塊輸出故障信號,不再需要單獨的保護器。用PLC 內(nèi)部的軟繼電器替代了繼電控制電路中的中間繼電器、時間繼電器、功能轉(zhuǎn)換開關(guān)等外部硬件電路,完成各主回路之間的順序控制、聯(lián)鎖控制;PLC 內(nèi)部的繼電控制電路通過用戶程序編寫實現(xiàn)。由于內(nèi)部繼電器的