基于UCC2892和LTC3900的开关电源设计

倪小康

(船舶重工集团公司723所,扬州225001)

0 引 言

钳位技术有2种:无源钳位和有源钳位。无源钳位技术的缺点是开通损耗或通态损耗较大。有源钳位变换器可以使正激变换器磁芯的工作范围从第一象限扩展到第三象限,从而提高了磁芯的有效利用率;同时可以实现零电压开关(ZVS),降低功率开关管的开通损耗和应力。随着脉宽调制(PWM)变换器输出的电压不断降低,同步整流技术的应用引起了人们极大的重视。与肖特基势垒二极管相比,同步整流具有正向压降小、阻断电压高、反向电流小等突出优点,可以显著提高开关电源的效率。

本文介绍了专为有源钳位变换器设计的控制器UCC2892和正激变换器次级同步整流及同步续流的金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)驱动器LTC3900,对基于控制器 UCC2892和驱动器LTC3900实现直流48 V输入,12 V/20 A输出的有源钳位正激开关电源进行了设计分析。

1 设计方案

确定有源钳位ZVS PWM正激变换器作为主电路拓扑,主要基于以下几点考虑:

(1)主开关管和钳位开关管均可以实现零电压开通;

(2)主开关管被钳位,减小电压应力;

(3)变压器磁芯能可靠地自动复位,不需要另加磁复位措施;

(4)很多的芯片制造公司也都瞄准了这一电路,研发出大量的PWM控制芯片,因此有足够的选择余地;

(5)逾越了50%占空比的限制,变压器的励磁电流可以沿正负方向流动,双向磁化,磁芯工作于磁化曲线的第一和第三象限,提高了变压器的利用率;

(6)该拓扑结构同步整流应用场合具有死区时间短、驱动简单等优点,非常适宜于低压、大电流应用场合。原边有源钳位副边同步整流正激开关电源原理框图如图1所示。

图1 原理框图

上述开关电源的工作原理为:辅助电源提供UCC2892和LTC3900的工作电压,直流48 V经滤波后供给功率变换电路;然后,UCC2892的12脚和13脚产生高频脉冲信号经隔离驱动后控制功率开关管的导通、截止,从而把输入直流电压变换成高频脉冲电压,经变压器降压;LTC3900接收经转换后的同步脉冲后,3脚和5脚输出两路互补的同步整流和同步续流驱动信号来实现次级的同步整流,经输出电感电容滤波产生输出电压;最后由于该输出电压是不稳定的,只有取样后通过误差放大,反馈到脉宽调制器的9脚FB,即调控高频脉冲信号的宽度,形成一个闭环系统,才能稳定输出电压。

2 主要参数设计

2.1 UCC2892和LTC3900工作参数设计

2.1.1 开关频率和最大占空比设置

通过设置UCC2892的2脚RTON和3脚RTOFF电阻值可以设置电源开关频率 fs和最大占空比,可用下列公式计算:式中:ton为开关导通时间;toff为开关闭合时间;Ts为开关频率周期为匹配电阻。

本设计采用100 kHz开关频率和60%最大占空比,由上述公式可以算出 Ron=160 kΩ和Roff=250 kΩ。

2.1.2 钳位和主开关管驱动信号延迟时间设置

UCC2892的1脚电阻确定了延迟时间,可以由以下公式来计算延迟时间:

通过调节RDEL管脚电阻值大小,可以调整延迟时间,获得最佳的工作状态,实现零电压开通。

2.1.3 L TC3900定时器电路设计

可编程的定时输出功能,当同步信号丢失或不正常时,它能让2路驱动器失效。定时输出的周期是由和7脚连接的电阻Rt和电容Ct的数值来确定的,它与供电电压值无关,芯片内部设置定时输出门限与供电电压的比例系数为0.2。定时输出的周期应该编程在大约等于原边开关频率的1个周期左右,可以利用以下公式计算:

取Ct=1 000 pF,算出 Rt=50 kΩ。

2.1.4 L TC3900电流传感器保护门限设置

芯片可以传感输出电感的电流,在续流开关管的漏极和源极分别接2只电阻,当电感器电流反向时,关断开关管。可以用下列公式计算图1中电阻RCS1、RCS2、RCS3数值,以满足门限电平和钳位电压要求 ,设 K=48IRRDS-1,则 :

式中:IR为电感的峰值纹波电流;RDS为续流管导通电阻在IR/2时的数值;Vimax为变换器初级最大输入电压;Np为初级匝数;Ns为次级匝数;Ns/Np为主变压器的变比。

2.2 主功率变压器和输出滤波电感设计

2.2.1 主功率变压器设计

首先根据功率容量 Ap的乘积公式进行估算,由公式计算得到:

式中:PT为变压器输出的标称功率;η为初次级效率;Bmax为最大工作磁通密度;Km为窗口中导线金属总截面填充系数;Kc为矽钢片迭片系数;δ为脉冲导通真空比。

PQ30铁氧体磁芯的有效中心柱截面积为Ae=1.33 cm2,磁芯窗口面积为 Aq=2.52 cm2,因此PQ30的功率容量乘积为:Ap=AeAq=3.3。

在开关频率为100 kHz时,采用PQ30铁氧体磁芯做250 W主功率变压器,它的功率容量是合理的。

初次级绕组匝数值可以由下列公式得出:

取初级匝数为10匝,次级匝数为5匝,次级电流比较大,采用2个绕组分两层绕制后并联使用。

2.2.2 输出电感参数设计

对于输出电感,可以先假定一个最大允许的电流纹渡ΔIl来求解电感量的大小。假定输出电感电流的纹波峰峰值为10%的最大输出电流,由法拉第定律来求解输出电感Lo:

式中:Iomax为输出的最大电流;Uo为输出电压;δmin为脉冲导通最小占空比。

2.3 功率开关管、同步整流管及钳位电容选取

主开关管采用N沟道金属-氧化物半导体(MOS)管IRFP460,钳位开关管采用P沟道MOS管IRF6216,同步整流管采用两只N沟道MOS管Si7370并联使用,同步续流管采用N沟道MOS管PH4840并联使用,钳位电容 Cc选用参数为0.22 μ F/160 V;

2.4 电源试验测试结果

电源输出12 V±100 mV,负载调整率小于等于100 mV,满载 20 A时,输出纹波小于等于100 mV,满载效率可达90%。

3 结束语

本文针对一款直流48 V输入、12 V/20 A输出、工作频率 100 kHz、基于 UCC2892和 LTC3900的有源钳位同步整流开关电源设计,介绍了有源钳位软开关技术和同步整流技术方案,同时分析了电路中主要参数的设计,给出选取原则。通过实验验证,满载效率可达90%。可见,有源钳位软开关技术很好地实现了主开关管和钳位开关管的ZVS开通,减少了开通损耗,提高了电源效率;同时,同步整流技术的应用减小了使用常规肖特基二极管整流时的导通压降,降低了功率损耗,从而进一步提高了电源效率。

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