高頻軟開關(guān)通信電源的設(shè)計思路探討

李　晶（深圳科士達科技股份有限公司，廣東　深圳　518106）

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高頻軟開關(guān)通信電源的設(shè)計思路探討

李晶
（深圳科士達科技股份有限公司，廣東深圳518106）

摘要：開關(guān)電源包含各種各樣的學(xué)科，其中，電力以及微電子屬于主要部分，此外電磁學(xué)以及熱力學(xué)等也與開關(guān)電源息息相關(guān)。本次研究針對智能大功率軟開關(guān)電源進行分析以及深入研究，針對新型高頻軟開關(guān)通信電源電路進行設(shè)計，希望能夠為促進新型開關(guān)通訊電源的設(shè)計提供科學(xué)的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高頻化；軟開關(guān)技術(shù)；數(shù)字式開關(guān)通信電源

開關(guān)電源在整個控制電源系統(tǒng)中屬于一個控制核心，目前，其在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，實現(xiàn)了普及。近年來，能源慢慢走向枯竭，大家開始提出綠色節(jié)能的理念，希望在該理念指導(dǎo)下進行能源利用，這也給電源行業(yè)帶來了新的變革。

一、開關(guān)電源技術(shù)的高頻化發(fā)展

20世紀(jì)70年代以后，系統(tǒng)電力電子理論開始確立，給開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展打下了較好的理論基礎(chǔ)。開關(guān)電源開始應(yīng)用階段，其開關(guān)頻率相對較低，可靠性有待提高，且表現(xiàn)出功率密度低等不足。面對這種情況，開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計也不斷進行改善，不斷縮小其具體體積以及實際重量，盡可能地減少其功耗，促進其功率的大幅提高，獲得更好的工作可靠性，為其實際使用以及維護提供了更大的集成化可能?，F(xiàn)階段，現(xiàn)代開關(guān)電源技術(shù)在發(fā)展上呈現(xiàn)出高頻化趨勢。

電子裝置要想實現(xiàn)小型化發(fā)展，逐步走向輕量化道路，首先必須要實現(xiàn)電源小型化，因為電源在整個電子裝置中占據(jù)著重要地位，開關(guān)電源要想實現(xiàn)小型化，第一步就是要促使開關(guān)電源走向高頻化。開關(guān)電源只有不斷提高其工作頻率，才能夠有效減少高頻變壓器實際體積，并且為濾波電容實際體積的縮小提供可能，盡可能增加其功率密度，保證其動態(tài)響應(yīng)進一步優(yōu)化。然而，高頻化過程中也存在一些不可避免的問題，開關(guān)具體頻率提升之后，其功率開關(guān)元件在實際損耗上會出現(xiàn)增加，無源元件也會出現(xiàn)更嚴(yán)重的損耗，導(dǎo)致高頻電磁出現(xiàn)干擾現(xiàn)象。

圖1傳統(tǒng)高頻開關(guān)電源結(jié)構(gòu)

圖2數(shù)字式開關(guān)通訊電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

二、開關(guān)電源技術(shù)的軟開關(guān)技術(shù)

現(xiàn)代電力電子技術(shù)發(fā)展應(yīng)用過程中，軟開關(guān)變換器屬于一大熱點。因為傳統(tǒng)開關(guān)電源選擇的是硬開關(guān)技術(shù)，其在導(dǎo)通以及關(guān)斷時會出現(xiàn)較明顯的電壓，引發(fā)較大幅度的電流變化，導(dǎo)致大量電磁干擾的出現(xiàn)，造成開關(guān)管壽命出現(xiàn)減小。開關(guān)損耗情況會因為工作頻率的變化而發(fā)生變化，如果工作頻率出現(xiàn)增加，其損耗也會隨之變多，而開關(guān)電源內(nèi)部的各種元件也會隨之出現(xiàn)較嚴(yán)重的損耗。硬開關(guān)技術(shù)無法滿足越來越高的開關(guān)技術(shù)發(fā)展需要，不利于促進開關(guān)電源的小型化發(fā)展，也不利于促使開關(guān)電源更好地實現(xiàn)高頻化。因此，我們必須要不斷完善頻率調(diào)控策略，通過這種方式優(yōu)化功率管實際開關(guān)條件，這就要求發(fā)展軟開關(guān)技術(shù)。軟開關(guān)技術(shù)的在開關(guān)通訊電源電路設(shè)計中的應(yīng)用能夠促進開關(guān)穩(wěn)壓電源整體性能的提升，提高其具體工作頻率，加快其轉(zhuǎn)換效率，從而更好地促進輸出電流的增加，同時減少電磁干擾。

三、傳統(tǒng)高頻開關(guān)電源結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)高頻開關(guān)電源在具體結(jié)構(gòu)上如圖1所示。根據(jù)圖1我們可以知道，傳統(tǒng)高頻開關(guān)電源除了包括濾波整流電路、高頻變換器以及輸出整流濾波電路外，采樣及控制電路、輔助電源電力以及硬件保護電路均屬于其重要構(gòu)成部分。現(xiàn)階段，國外相當(dāng)一部分大功率開關(guān)電源均選擇源功率因數(shù)校正技術(shù)進行應(yīng)用，針對開關(guān)電源進行輸入處理的過程中專門設(shè)計相應(yīng)的有功率因數(shù)校正電路板。針對生產(chǎn)生活中的電源產(chǎn)品，高頻開關(guān)電源對附近設(shè)備會產(chǎn)生一定的電磁干擾。另外，為了促進功率因數(shù)的增加，盡量避免開關(guān)電源輸入電流發(fā)生畸變，以免干擾電網(wǎng)運行，應(yīng)在電網(wǎng)以及開關(guān)電源輸入之間加用功率因數(shù)校正技術(shù)。功率因數(shù)校正電路的應(yīng)用不但能夠促進開關(guān)電源在輸入功率因數(shù)方面得到提高，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對本機干擾信號的有效阻止，以免其干擾整個電網(wǎng)運行。

四、數(shù)字開關(guān)通信電源電路及其實現(xiàn)

傳統(tǒng)開關(guān)電源由于工作原理以及控制方式等方面存在缺陷，其功能相對比較單一，針對開關(guān)電源具體控制，選擇模擬調(diào)節(jié)的方式來開展，這種做法會導(dǎo)致開關(guān)電源產(chǎn)品無法在新應(yīng)用領(lǐng)域進一步推廣。數(shù)字開關(guān)電源在應(yīng)用過程經(jīng)數(shù)字控制的方式來針對開關(guān)電源的輸出調(diào)節(jié)功能進行控制，并且控制其軟啟動停止等操作。開關(guān)電源具體工作實際上就是功率器件針對控制脈沖進行調(diào)制的過程，在此過程中，功率管脈沖對于控制信號的調(diào)制屬于重中之重。綜合分析脈沖調(diào)制信號在實際產(chǎn)生方式上的差異，可以將數(shù)字開關(guān)電源具體實現(xiàn)方式劃分為兩種模式，第一種是直接控制模式，第二種是間接控制模式。直接控制模式主要是借助微處理器針對軟件方式的驅(qū)動脈沖進行輸出，而主控制其按照輸出的AD采樣值，借助相應(yīng)的軟件措施針對控制脈沖開展調(diào)制處理。另外主控制器必須要針對不同的檢測電路進行實時觀察，了解電源的具體工作狀態(tài)，同時促進軟件以及硬件的有效結(jié)合，實現(xiàn)對電路的有效保護。直接控制在具體實現(xiàn)方式上相對比較靈活，該模式能夠在各種控制策略下進行應(yīng)用，然而，直接控制模式仍存在一些缺陷和不足，表現(xiàn)在以下幾個方面：

其一，直接控制對于主控芯片具備極高的性能要求，其脈寬調(diào)制波相對比較復(fù)雜，必須要通過高級定時器發(fā)揮相應(yīng)功能，并通過各種復(fù)雜的中斷程序來做支撐，才能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。

其二，其定時器中斷相對較頻繁，導(dǎo)致程序在具體執(zhí)行效率上無法得到提高，造成系統(tǒng)可擴展性處于較低水平。

其三，微控制器針對電平進行輸出的過程中無法實現(xiàn)對功率開關(guān)管的直接驅(qū)動，而必須要通過控制信號電平完成轉(zhuǎn)換。

其四，硬件保護在具體實現(xiàn)上相對較復(fù)雜，不利于提高系統(tǒng)的運行可靠性。

與直接控制模式相對應(yīng)的是間接控制模式，該模式針對反饋電路以及控制電路開展模擬電路設(shè)計，脈沖調(diào)制模塊通過專用集成數(shù)字電源芯片開展相關(guān)調(diào)制工作。脈沖調(diào)制模塊可以綜合分析控制系統(tǒng)相關(guān)給定信號，研究具體的輸出采樣電路反饋信號，將兩者進行有效比價，同時實現(xiàn)對控制脈沖的自動化調(diào)制，通過這種方式促進主電路的自動閉環(huán)運行。

近年來，開關(guān)電源芯片不斷走向集成化發(fā)展道路，專用開關(guān)電源控制芯片一般具備軟啟動功能，電路保護功能以及故障檢測功能，能夠進一步提高系統(tǒng)可靠程度。此外，集成化能夠為微處理器創(chuàng)造控制接口，有利于實現(xiàn)對開關(guān)電源的有效控制，進一步拓展其具體功能。在集成化模式下，控制電路通常需要針對數(shù)字進行給定，負責(zé)控制軟啟動停止，并且需要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示以及開關(guān)電源通信等任務(wù)。采用間接控制模式時，其反饋回路的具體設(shè)計情況直接影響電源產(chǎn)品的實際功能以及整體性能狀況。站在產(chǎn)品維護性視角上看，實際高頻開關(guān)電源產(chǎn)品中大部分選擇間接控制模式進行應(yīng)用，而直接控制模式一般應(yīng)用在對不同控制策略的探索以及研究過程中。

因為開關(guān)電源的高頻率，其余開關(guān)電源的控制技術(shù)也慢慢走向數(shù)字化方向，數(shù)字式開關(guān)通信電源一般采用間接控制模式，其反饋回路的具體設(shè)計情況直接影響電源產(chǎn)品的實際功能以及整體性能狀況。本次研究中采用的數(shù)字式開關(guān)通信電源在工作頻率上為200kHz，交流輸入電壓為（AC220V、AC110V）；直流輸出電壓（DC48V、DC24V、DC15V、DC12V、DC5V）。間接控制模式下的數(shù)字式智能型開關(guān)通信電源在具體結(jié)構(gòu)上如圖2所示。該結(jié)構(gòu)中，硬件電路除了包括主功率板、控制板以及隔離驅(qū)動板之外，還包括反饋信號以及保護信號電路。因為市面上并不一定可以找到合適的大功率磁芯，該結(jié)構(gòu)中主電路高頻變壓器選擇4個小型高頻變壓器進行應(yīng)用，通過原邊串聯(lián)副邊并聯(lián)的模式來滿足大電流在輸出方面的具體設(shè)計要求。該結(jié)構(gòu)圖中，TV代表著霍爾電壓傳感器，TA則代表著電流傳感器，主要針對主電路輸入電流、高頻變壓器副邊整流電流以及總輸出電壓等開展檢測工作，本電源選擇PT100熱敏電阻針對IGBT的具體溫度進行檢測。

該電源系統(tǒng)中，選擇STM32F103ZET6芯片作為主控制其的芯片，借助多通道高速AD轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)對傳感器輸出信號的有效采樣。采樣結(jié)果能夠發(fā)揮良好的電路保護作用。用戶可以借助觸摸以及計算機實現(xiàn)對輸出的具體設(shè)定，針對輸出反饋信號以及用戶給定信號兩者間開展對比，獲取偏差信號，通過選擇增量式數(shù)字PI調(diào)節(jié)器算法開展相關(guān)調(diào)節(jié)工作。針對控制量，經(jīng)過STM32片的DAC將其輸出到UCC3895的誤差放大器同向輸入端中。UCC3895專用電源芯片綜合分析誤差放大器實際輸入信號，實現(xiàn)對脈沖寬度的自動化調(diào)整，通過這種方式針對輸出電壓電流進行自動化閉環(huán)調(diào)節(jié)處理。輸出總電流檢測信號連接UCC3895電流傳感端CS，為電源主電路開關(guān)管提供良好的過流保護。如果發(fā)現(xiàn)緊急情況，電源主控制器可以針對UCC3895的SS/DISS管腳進行靈活控制，促使其實現(xiàn)軟停止，從而為開關(guān)電源提供有效保護。

總而言之，傳統(tǒng)開關(guān)電源在成本上相對較低，技術(shù)相對較成熟，開放周期相對較短，但是其在狀態(tài)顯示方面相對較弱，不具備通信功能或者通信功能較差，輸出范圍有待加大。本次研究中設(shè)計的數(shù)字式智能型高頻開關(guān)通信電源能夠克服傳統(tǒng)的上述劣勢，充分顯示了軟開關(guān)技術(shù)以及高頻開關(guān)技術(shù)在開關(guān)發(fā)展過程中的積極作用，實踐證明，該開關(guān)通信電路在可行性上相對較高，能夠促進開關(guān)電源高效、安全地工作，值得推廣應(yīng)用。

參考文獻

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中圖分類號：TN86

文獻標(biāo)識碼：A