一款大功率開關電源的完整實用電路設計與實現(xiàn)

摘? 要：本文介紹了一款1.5kW大功率開關電源的完整實用電路設計，提出了電源總體設計電路原理框圖，對各組成部分電路進行了具體的參數(shù)設計，給出了一整套完整實用的電路原理圖，并對具體電路的工作原理做了詳細的分析。此電路原理圖設計出的開關電源具有高效率、高功率密度的特點，在公司通信產(chǎn)品中得到了大量的應用。

關鍵詞：開關電源;移相控制;UC3875

中圖分類號：TN492? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）23-0036-04

A Complete Practical Circuit Design and Implementation

of a High-power Switching Power Supply

CAI Huaihai

（Tongfang Electronic Technology Co.，Ltd.，Jiujiang? 332001，China）

Abstract：This paper introduces the complete practical circuit design of a 1.5 kW high-power switching power supply，presents the schematic diagram of the overall design circuit of the power supply，designs the specific parameters of each component circuit，presents a complete practical circuit schematic diagram，and analyzes the working principle of the specific circuit in detail. The switching power supply designed by this circuit schematic diagram has the characteristics of high efficiency and high power density，which has been widely used in the communication products of our company.

Keywords：switching power supply;phase shift control;UC3875

0? 引? 言

簡言之，開關電源可以通過開關器件的通斷來向負載傳遞能量，且控制開關的通斷時間來調節(jié)向負載傳遞能量的多少。理論上說開關器件只有通/斷兩個狀態(tài)，是不存在功率損耗的。但實際開關器件不可能工作在理想開/關狀態(tài)，其在開通和關斷過程中，均存在著開關損耗，即在開關器件上同時存在電壓電流。開關頻率提高時表現(xiàn)更為明顯。軟開關電源，就是通過增加的一個諧振網(wǎng)絡，使開關器件在零電壓時打開，在零電流狀態(tài)時關斷。這樣就可大大降低開關損耗，從而提高電源效率。

本文介紹一款1.5kW大功率開關電源的完整實用電路設計，該電路開關器件在開通過程中處于軟開關狀態(tài)，其主功率變換電路采用由UC3875組成的全橋移相變換器。

1? 電源總體設計

本電源是以UC3875作為控制核心設計的一款軟開關移相控制全橋變換電源（PS-ZVS-PWM），它是通過控制芯片UC3875的移相輸出，控制全橋變換器的四個開關管的移相導通實現(xiàn)穩(wěn)壓。且由于諧振網(wǎng)絡的作用，使開關管工作在軟開關狀態(tài)下。一個完整的開關過程可分為十二個工作過程。本電源總體電路原理框圖如圖1所示。

該電路按功能劃分為七個部分，分別為：EMI濾波器、輔助電源、電阻軟啟動整流濾波、全橋變換、整流濾波、移相控制（UC3875）、過流保護。

1.1? EMI濾波器

該EMI濾波器用以抑制市電的干擾進入電源內部，同時抑制電源內部的干擾反串入市電。

1.2? 輔助電源設計

輔助電源是一個15W的AC/DC電源，輸出電壓為+12V，用以給電阻軟啟動整流濾波電路、移相控制（UC38 75）電路供電。其電路原理圖如圖2所示。

TOP224YAJ是美國電源集成公司Power Integrations Inc（簡稱PI公司或Power公司）于1997年推出的第二代單片開關電源芯片，它內部包含控制電壓源、帶隙基準電壓源、振蕩器、并聯(lián)調整器/誤差放大器、脈寬調制器、門驅動級、高壓功率開關管（MOSFET）、過流保護電路、過熱保護及上電復位電路、判斷/自動重啟動電路和高壓電流源。芯片集成度高、功能齊全、外圍電路簡單、工作電壓范圍寬（85V～265V）。

這是一款反激式脈寬調制電源。交流輸入電源經(jīng)整流濾波，得到高壓直流電源送功率變壓器T1，受N1單片開關電源芯片TOP224YAJ對其內部高壓功率開關管的控制，使高壓直流變?yōu)楦邏悍讲?，?jīng)功率變壓器耦合變壓，得到低壓方波交流電，再經(jīng)整流濾波得到所需的+12V直流電源。電壓信號經(jīng)分壓電阻R5、R6取樣，與N3電壓基準TL431ID比較，在N2光電耦合器PC817C上得到一個對應的電流信號，并送至N1開關電源芯片TOP224YAJ，該電流信號經(jīng)內部誤差放大器等一系列控制電路，得到一個脈寬控制信號，該脈寬信號用來控制內部高壓功率開關管的導通時間，使得直流電源輸出電壓穩(wěn)定。V1、V2組成的尖峰吸收電路用來吸收開關管截止時變壓器產(chǎn)生的尖峰，從而保護TOP224YAJ。

1.3? 電阻軟啟動整流濾波電路設計

為了減小電源剛接通瞬間產(chǎn)生的浪涌電流，采用交流輸入線上串聯(lián)電阻限流器件的方式，待電容充有一定電壓時，用繼電器去短路限流電阻。其電路原理圖如圖3所示。

當輔助電源送出+12V時，繼電器K1、K3吸合。交流電源經(jīng)限流電阻R8輸送至整流濾波電路。當濾波電容C10、C11、C12、C13充電約0.5s后，比較器N4A的1腳電壓由低電平轉為高電平，繼電器K2吸合，限流電阻被短路，這時電容已充有較高的電壓，濾波電容繼續(xù)充電至+300V高壓直流。在電路中，充電初期由于限流電阻的作用，同時確?？蛰d啟動，就可大大降低交流端的沖擊電流，提高電源器件可靠性，同時降低電源對電網(wǎng)的沖擊。

1.4? 全橋變換電路與整流濾波電路設計

全橋變換電路主要實現(xiàn)從高壓直流到高壓交流的轉換，并經(jīng)功率變壓器耦合傳遞給負載端，全橋電路中增加了LC諧振網(wǎng)絡，使開關管工作時實現(xiàn)零電壓開啟;整流濾波電路主要用于將功率變壓器耦合降壓得到的交流電源，經(jīng)整流濾波得到所需要的直流電源。其電路原理圖如圖4所示。

當開關管2V1、2V4導通時，2V2、2V3截止，電流經(jīng)2V1、2T1、2T6、2L1、2C18、2V4到達高壓電源負端;而開關管2V2、2V3導通時，2V1、2V4截止，電流經(jīng)2V3、2C18、2L1、2T6、2T1、2V2到達高壓電源負端。這樣一來流經(jīng)功率變壓器2T1的就是一高壓交流電源，經(jīng)功率變壓器耦合變壓，得到一低壓交流電，再經(jīng)由二極管2U1、2U2、電感2L2和電容2C23組成的全波整流濾波電路得到所需的+48V直流電源。

1.5? 移相控制（UC3875）與過流保護電路設計

移相控制（UC3875）電路主要對上述全橋變換電路中四個開關管進行移相控制，通過調節(jié)其移相角來實現(xiàn)電源穩(wěn)壓，并配合過電流檢測電路來實現(xiàn)電源的過流保護。其電路原理圖如圖5所示。

參見圖5，輸出+48V電壓經(jīng)2R1、2R7、2R6取樣，送至UC3875的內部誤差放大器的反相輸入端，與該比較器的同相端所接的基準電壓進行比較，得到誤差信號，經(jīng)內部移相控制器處理，然后自A/B、C/D端輸出一個相應相位移動的方波信號，經(jīng)驅動2N2、2N3和隔離變壓器2T2、2T3、2T4、2T5送開關管2V1、2V2、2V3、2V4（見圖4）。開關管受該PWM信號控制，使輸出穩(wěn)定在所設定的值。

電路設有兩級過流保護：第一級保護，電流取樣線圈2T6取得功率變壓器2T1的初級繞組電流信號（交流），當由于某種原因，使得功率變壓器中的電流增大超過預定值時，三極管2V13導通，拉低UC3875的6腳電平實施保護。這種保護使得輸出電壓降低，實現(xiàn)恒功率保護。第二級保護在整流濾波輸出端電路中，負載電流信號（直流）送至運放2N4A放大，放大后信號再送至比較器2N4B的同相輸入端，與其反相輸入端的基準電壓比較，當負載電流超過預定值時，比較2N4B輸出端反轉為高電平，送至UC3875的5腳，UC3875檢測到該高電平時，立即控制關斷輸出，使得電源停止工作，直到排除負載故障重新上電，電源再次正常工作。

2? 結? 論

本文詳細介紹了一款1.5kW大功率開關電源的實用電路設計與實現(xiàn)方案，給出了標有具體參數(shù)的電路原理圖，并對電路的工作原理做了具體的分析。該電源方案所設計出的開關電源具有高效率、高功率密度的特點，在公司通信產(chǎn)品中得到了大量的應用。

參考文獻：

[1] 沙占友.特種集成電源最新應用技術 [M].北京：人民郵電出版社，2000.

[2] 劉勝利，李龍文.高頻開關電源新技術應用 [M].北京：中國電力出版社，2008.

作者簡介：蔡懷海（1986-），男，漢族，安徽宿松人，電源設計師，助理工程師，學士學位，主要研究方向：電源設計。