一種硬開關(guān)全橋輸出帶預(yù)偏電壓啟動的方案

譚 果

（貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

0 引 言

一般情況下，DC／DC電源模塊是在輸出端沒有電壓且?guī)ж?fù)載的情形下啟動。但是有時候，電源模塊在啟動之前輸出電壓并不是零電壓。一種比較常見的情況是，DC／DC電源模塊的輸出端接了比較大的解耦電容，而放電電阻的阻值不夠小，這時候輸出電容的放電時間常數(shù)就會比較大。當(dāng)電源模塊突然斷電，在輸出電容放電完成之前又重新啟動，那么電源模塊的輸出端就會存在一個預(yù)偏電壓。另一種比較常見的情況是，當(dāng)兩個或者多個電源模塊并聯(lián)給同一個負(fù)載電路供電時，有時候會很難做到多個模塊同時啟動，可能會有的模塊先啟動，有的模塊后啟動，這樣就會造成后啟動的模塊會在一定輸出電壓的情形下啟動，即預(yù)偏置電壓啟動。如果電源模塊沒有這一功能，就有可能導(dǎo)致輸出電壓不是單調(diào)上升，嚴(yán)重時還有可能會出現(xiàn)重啟或者損壞同步整流管的現(xiàn)象。所以直流變換器有必要添加預(yù)偏置啟動的功能?，F(xiàn)有的許多啟動方案存在成本高，電路復(fù)雜，效率不高的缺點，對預(yù)偏置啟動的方案進行深入研究是完全必要的。

本文首先分析了硬開關(guān)全橋變換器在輸出有偏置電壓不能正常啟動的原因，然后提出了一種簡單、性能優(yōu)越的實現(xiàn)方案，并在硬開關(guān)全橋電源模塊上進行了理論分析和實驗驗證。

1 硬開關(guān)全橋變換器的預(yù)偏置啟動分析

現(xiàn)在大多數(shù)高性能低壓變換器和穩(wěn)壓器都使用了同步整流技術(shù)（功率MOSFETs來代替二極管）。與二極管相比，功率MOSFET的導(dǎo)通壓降比二極管的導(dǎo)通壓降小，并且可精確地控制其導(dǎo)通時間，這些特性極大提高了電源模塊的效率和功率密度。同步整流技術(shù)被廣泛認(rèn)為可以實現(xiàn)高效率的需求。下面以圖1為例，分析硬開關(guān)全橋拓?fù)鋷ьA(yù)偏電壓不能正常啟機的原因。

當(dāng)原邊QT1與QB1導(dǎo)通時，副邊同步整流管Q4導(dǎo)通，Q1關(guān)斷。此時，能量的傳遞方向是從輸入到輸出，變壓器將能量傳遞給輸出，同時輸出電感也會儲存一部分能量。當(dāng)QT1與QB1關(guān)斷，QT2與QB2打開之前，Q1與Q4導(dǎo)通，這時電感上的能量通過同步整流管傳遞給輸出。由于MOSFET是雙向?qū)ǖ模谔囟ǖ臈l件下，電流會通過MOSFET反灌至變換器，這樣能量就從輸出向輸入傳遞。例如，如果變換器穩(wěn)態(tài)工作時突然關(guān)機，然后很快又開機，那么輸出電容上儲存的能量和電壓會比變換器剛開始的幾個開關(guān)周期要大。如果同步整流工作在這種情況下，電容上面的電壓和能量就會通過Q1和Q4向輸出電感充電，輸出的能量就會反灌回變換器。一般情況下，為了使輸出電壓緩慢增大，變換器在啟動到穩(wěn)態(tài)工作時，都會有一軟啟動過程。在這個過程中，原邊驅(qū)動從小變大，副邊與原邊驅(qū)動互補，由大變小。由此不難得出當(dāng)副邊MOSFET長時間在預(yù)偏電壓的情形下導(dǎo)通時，就會導(dǎo)致:（1）輸出的預(yù)偏置電壓降低，即輸出電容被放電，使得輸出啟動波形不單調(diào)；（2）流過同步管的反向電流非常大，而增大了同步管的損耗，嚴(yán)重時會損壞同步管；（3）使電感或變壓器飽和，直至損壞開關(guān)管［1］。

圖1 硬開關(guān)全橋變換器原理圖

早期的電源模塊中，都沒有預(yù)偏置啟動這一功能。但是隨著對電源的要求越來越高，許多服務(wù)器生產(chǎn)商，如HP、DELL、HUAWEI等都明確提出帶預(yù)偏置啟動是必需也是很重要的功能。IC供應(yīng)商也針對這個需求，推出了很多具有這個功能的芯片，如Intersil的ISL6420A、ISL6535、ISL8104。TI 的 TPS40007、TPS40009、PS40057， MAXIM 的 MAX8543、MAX8544、MAX5095C、MAX1917，IR 的 1R3612I、NS的LM2745等［2］。目前解決預(yù)偏置啟動有以下兩類方法:一類是在啟機過程中，原邊與副邊的占空比都是由小變大慢慢展開，直至軟啟動完成后，原副邊才互補。這種方法實現(xiàn)起來簡單，但是如果副邊MOSFET展開速率不合適，會造成輸出電壓有過沖，或在預(yù)偏電壓處有跌坑。另一類就是在模塊的輸出端加一開關(guān)管（如圖2所示），通過檢測開關(guān)管的壓降來判斷是否打開開關(guān)管。這種方法使各個模塊的一致性比較好，但是，由于加了檢測電路，成本提高，降低了產(chǎn)品的競爭力。

圖2 輸出加開關(guān)管的啟動方式

鑒于傳統(tǒng)方案的不足，提出一種成本低、性能好的方案，使得輸出電壓能在預(yù)偏電壓處單調(diào)上升，并且輸出不會有跌坑和過沖的現(xiàn)象已成為大勢所趨。

2 新方案的分析

本方案選用德州儀器 （Texas Instruments）生產(chǎn)的數(shù)字控制器UCD3138作為主控制芯片。該控制器在一個單一芯片解決方案內(nèi)提供高集成度和出色性能。其核心為數(shù)字控制環(huán)路外設(shè)，也被稱為數(shù)字電源外設(shè)。每個DPP執(zhí)行一個高速數(shù)字控制環(huán)路，此環(huán)路由一個專用誤差模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （EADC）、一個基于2極 －2零數(shù)字補償器的PID和具有250ps脈寬分辨率的DPWM輸出組成［3］。這為隔離電源控制提供了極大便利。本方案主要是采用調(diào)節(jié)參考電壓和環(huán)路初始值的方法，從而使輸出能在預(yù)偏電壓的基礎(chǔ)上單調(diào)上升。下面具體分析如何在UCD3138電壓型控制的基礎(chǔ)上實現(xiàn)預(yù)偏置啟機。

2.1 預(yù)偏置啟動分析

如圖3所示，ADC檢測到的輸出電壓與參考值相減得到誤差值，該誤差值作為PID環(huán)路輸入，環(huán)路會計算出一個特定的占空比，來調(diào)節(jié)輸出電壓。

圖3 數(shù)字環(huán)路控制框圖

在電源啟動之前，控制器會對輸入輸出電壓檢測。當(dāng)開機條件滿足后，此時如果輸出沒有預(yù)偏電壓，那么參考電壓的初始值和環(huán)路的初始值均賦為零，啟動電源，并且緩慢增加參考值直到目標(biāo)的參考電壓，這樣環(huán)路的輸出緩慢增大，從而控制原邊開關(guān)管的驅(qū)動緩慢展開，輸出電壓則會從零開始慢慢上升。

如果AD檢測到輸出不是從零開始，這時就需要預(yù)偏置啟動功能。在Buck正激變換器中，輸出電壓等于開關(guān)管的占空比乘以輸入電壓。為了使模塊能在預(yù)偏電壓處啟動，最簡單的方法就是讓PWM輸出一個確定的占空比，以保證模塊輸出電壓不比預(yù)偏電壓低。在該方案中，將檢測到的輸入輸出電壓，換算成一個確定的占空比數(shù)據(jù)，然后將該值作為環(huán)路的積分環(huán)節(jié)的初始值。到目前為止僅僅保證剛開始輸出電壓為預(yù)偏電壓，為了使電源的輸出電壓在預(yù)偏電壓處單調(diào)上升，則還需將參考電壓設(shè)置為與預(yù)偏電壓相對應(yīng)的值，然后在該值處緩慢增加參考電壓。整個啟動過程中，原邊開關(guān)管與同步整流管的驅(qū)動互補，這樣不需要經(jīng)過肖特基整流，可以提高開機效率。整個軟啟過程是通過增加參考值的方法來增大輸出電壓，并且都是閉環(huán)控制，沒有從開環(huán)到閉環(huán)的切換，環(huán)路的輸出始終控制DPWM的占空比，所以在有預(yù)偏電壓的情況下，只要初始值正確，輸出電壓就不會出現(xiàn)過沖和跌坑。

2.2 系統(tǒng)軟件預(yù)偏置啟動流程

系統(tǒng)軟件分為狀態(tài)機和背景程序。狀態(tài)機是整個系統(tǒng)的核心部分，該部分程序在標(biāo)準(zhǔn)中斷中執(zhí)行。在電源模塊啟動之前，每次中斷都會判斷是否滿足開機條件，當(dāng)開機條件滿足時，則會進入預(yù)偏置啟動的狀態(tài)。圖4是預(yù)偏置啟動的具體流程圖。

圖4 預(yù)偏置啟動的流程

3 實驗驗證

為了驗證上述理論分析的正確性，本實驗在圖1硬開關(guān)全橋拓?fù)溥M行實驗驗證。具體實驗參數(shù):輸入48V，輸出12V，輸出功率360W，預(yù)偏電壓10.8V（最大輸出電壓90%處）和6V（最大輸出電壓50%）。由圖5和圖6可知，在10.8V和6V處，實驗波形理想，輸出在預(yù)偏電壓處既沒有跌坑，也不會有過沖，模塊也不會損壞。

4 結(jié) 論

圖5 6 V（50%Uout）預(yù)偏置啟動

圖6 10.8 V（90%Uout）預(yù)偏置啟動

本文提出并驗證了一種新的解決輸出帶預(yù)偏電壓的方案，其核心是在電源啟動前對參考和環(huán)路設(shè)置成與輸出電壓相對應(yīng)的值，并在該值的基礎(chǔ)上單調(diào)上升。實驗證明，該方案無需增加任何器件成本，實現(xiàn)簡單可靠。

［1］熊代富，吳國忠.隔離變換器輸出帶預(yù)偏置電壓啟動的研究［J］.電力電子技術(shù)，2007，（4）:31－33.

［2］熊代富，吳國忠.隔離DC／DC開關(guān)電源輸出帶預(yù)偏置電壓啟動的研究［D］.浙江:浙江大學(xué)，2006.

［3］Texas Instruments.Highly Integrated Digital Controller for Isolated Power，TI，UCD3138Data Manual［Z］.2012.