高频软开关通信电源的设计思路探讨

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高频软开关通信电源的设计思路探讨

  开关电源包含各种各样的学科,其中,电力以及微电子属于主要部分,此外电磁学以及热力学等也与开关电源息息相关。本次研究针对智能大功率软开关电源进行分析以及深入研究,针对新型高频软开关通信电源电路进行设计,希望能够为促进新型开关通讯电源的设计提供科学的参考依据。

 

  开关电源在整个控制电源系统中属于一个控制核心,目前,其在生产生活中的应用已经越来越广泛,实现了普及。近年来,能源慢慢走向枯竭,大家开始提出绿色节能的理念,希望在该理念指导下进行能源利用,这也给电源行业带来了新的变革。

 

  一、开关电源技术的高频化发展

 

  20世纪70年代以后,系统电力电子理论开始确立,给开关电源技术发展打下了较好的理论基础。开关电源开始应用阶段,其开关频率相对较低,可靠性有待提高,且表现出功率密度低等不足。面对这种情况,开关稳压电源设计也不断进行改善,不断缩小其具体体积以及实际重量,尽可能地减少其功耗,促进其功率的大幅提高,获得更好的工作可靠性,为其实际使用以及维护提供了更大的集成化可能。现阶段,现代开关电源技术在发展上呈现出高频化趋势。

 

  电子装置要想实现小型化发展,逐步走向轻量化道路,首先必须要实现电源小型化,因为电源在整个电子装置中占据着重要地位,开关电源要想实现小型化,第一步就是要促使开关电源走向高频化。开关电源只有不断提高其工作频率,才能够有效减少高频变压器实际体积,并且为滤波电容实际体积的缩小提供可能,尽可能增加其功率密度,保证其动态响应进一步优化。然而,高频化过程中也存在一些不可避免的问题,开关具体频率提升之后,其功率开关元件在实际损耗上会出现增加,无源元件也会出现更严重的损耗,导致高频电磁出现干扰现象。

 

高频软开关通信电源的设计思路探讨


  二、开关电源技术的软开关技术

 

  现代电力电子技术发展应用过程中,软开关变换器属于一大热点。因为传统开关电源选择的是硬开关技术,其在导通以及关断时会出现较明显的电压,引发较大幅度的电流变化,导致大量电磁干扰的出现,造成开关管寿命出现减小。开关损耗情况会因为工作频率的变化而发生变化,如果工作频率出现增加,其损耗也会随之变多,而开关电源内部的各种元件也会随之出现较严重的损耗。硬开关技术无法满足越来越高的开关技术发展需要,不利于促进开关电源的小型化发展,也不利于促使开关电源更好地实现高频化。因此,我们必须要不断完善频率调控策略,通过这种方式优化功率管实际开关条件,这就要求发展软开关技术。软开关技术的在开关通讯电源电路设计中的应用能够促进开关稳压电源整体性能的提升,提高其具体工作频率,加快其转换效率,从而更好地促进输出电流的增加,同时减少电磁干扰。

 

  三、传统高频开关电源结构

 

  传统高频开关电源在具体结构上如图1所示。根据图1我们可以知道,传统高频开关电源除了包括滤波整流电路、高频变换器以及输出整流滤波电路外,采样及控制电路、辅助电源电力以及硬件保护电路均属于其重要构成部分。现阶段,国外相当一部分大功率开关电源均选择源功率因数校正技术进行应用,针对开关电源进行输入处理的过程中专门设计相应的有功率因数校正电路板。针对生产生活中的电源产品,高频开关电源对附近设备会产生一定的电磁干扰。另外,为了促进功率因数的增加,尽量避免开关电源输入电流发生畸变,以免干扰电网运行,应在电网以及开关电源输入之间加用功率因数校正技术。功率因数校正电路的应用不但能够促进开关电源在输入功率因数方面得到提高,而且能够实现对本机干扰信号的有效阻止,以免其干扰整个电网运行。

 


  四、数字开关通信电源电路及其实现

 

  传统开关电源由于工作原理以及控制方式等方面存在缺陷,其功能相对比较单一,针对开关电源具体控制,选择模拟调节的方式来开展,这种做法会导致开关电源产品无法在新应用领域进一步推广。数字开关电源在应用过程经数字控制的方式来针对开关电源的输出调节功能进行控制,并且控制其软启动停止等操作。开关电源具体工作实际上就是功率器件针对控制脉冲进行调制的过程,在此过程中,功率管脉冲对于控制信号的调制属于重中之重。综合分析脉冲调制信号在实际产生方式上的差异,可以将数字开关电源具体实现方式划分为两种模式,第一种是直接控制模式,第二种是间接控制模式。直接控制模式主要是借助微处理器针对软件方式的驱动脉冲进行输出,而主控制其按照输出的AD采样值,借助相应的软件措施针对控制脉冲开展调制处理。另外主控制器必须要针对不同的检测电路进行实时观察,了解电源的具体工作状态,同时促进软件以及硬件的有效结合,实现对电路的有效保护。直接控制在具体实现方式上相对比较灵活,该模式能够在各种控制策略下进行应用,然而,直接控制模式仍存在一些缺陷和不足,表现在以下几个方面:

 

  其一,直接控制对于主控芯片具备极高的性能要求,其脉宽调制波相对比较复杂,必须要通过高级定时器发挥相应功能,并通过各种复杂的中断程序来做支撑,才能够实现应用。

 

  其二,其定时器中断相对较频繁,导致程序在具体执行效率上无法得到提高,造成系统可扩展性处于较低水平。

 

  其三,微控制器针对电平进行输出的过程中无法实现对功率开关管的直接驱动,而必须要通过控制信号电平完成转换。

 

  其四,硬件保护在具体实现上相对较复杂,不利于提高系统的运行可靠性。

 

  与直接控制模式相对应的是间接控制模式,该模式针对反馈电路以及控制电路开展模拟电路设计,脉冲调制模块通过专用集成数字电源芯片开展相关调制工作。脉冲调制模块可以综合分析控制系统相关给定信号,研究具体的输出采样电路反馈信号,将两者进行有效比价,同时实现对控制脉冲的自动化调制,通过这种方式促进主电路的自动闭环运行。

 

  近年来,开关电源芯片不断走向集成化发展道路,专用开关电源控制芯片一般具备软启动功能,电路保护功能以及故障检测功能,能够进一步提高系统可靠程度。此外,集成化能够为微处理器创造控制接口,有利于实现对开关电源的有效控制,进一步拓展其具体功能。在集成化模式下,控制电路通常需要针对数字进行给定,负责控制软启动停止,并且需要完成数据采集、数据显示以及开关电源通信等任务。采用间接控制模式时,其反馈回路的具体设计情况直接影响电源产品的实际功能以及整体性能状况。站在产品维护性视角上看,实际高频开关电源产品中大部分选择间接控制模式进行应用,而直接控制模式一般应用在对不同控制策略的探索以及研究过程中。

 

  因为开关电源的高频率,其余开关电源的控制技术也慢慢走向数字化方向,数字式开关通信电源一般采用间接控制模式,其反馈回路的具体设计情况直接影响电源产品的实际功能以及整体性能状况。本次研究中采用的数字式开关通信电源在工作频率上为200kHz,交流输入电压为(AC220VAC110V);直流输出电压(DC48VDC24VDC15VDC12VDC5V)。间接控制模式下的数字式智能型开关通信电源在具体结构上如图2所示。该结构中,硬件电路除了包括主功率板、控制板以及隔离驱动板之外,还包括反馈信号以及保护信号电路。因为市面上并不一定可以找到合适的大功率磁芯,该结构中主电路高频变压器选择4个小型高频变压器进行应用,通过原边串联副边并联的模式来满足大电流在输出方面的具体设计要求。该结构图中,TV代表着霍尔电压传感器,TA则代表着电流传感器,主要针对主电路输入电流、高频变压器副边整流电流以及总输出电压等开展检测工作,本电源选择PT100热敏电阻针对IGBT的具体温度进行检测。

 

  该电源系统中,选择STM32F 103ZET6 芯片作为主控制其的芯片,借助多通道高速AD转换器实现对传感器输出信号的有效采样。采样结果能够发挥良好的电路保护作用。用户可以借助触摸以及计算机实现对输出的具体设定,针对输出反馈信号以及用户给定信号两者间开展对比,获取偏差信号,通过选择增量式数字PI调节器算法开展相关调节工作。针对控制量,经过STM32片的DAC将其输出到UCC3895的误差放大器同向输入端中。UCC3895专用电源芯片综合分析误差放大器实际输入信号,实现对脉冲宽度的自动化调整,通过这种方式针对输出电压电流进行自动化闭环调节处理。输出总电流检测信号连接UCC3895电流传感端CS,为电源主电路开关管提供良好的过流保护。如果发现紧急情况,电源主控制器可以针对UCC3895SS/DISS管脚进行灵活控制,促使其实现软停止,从而为开关电源提供有效保护。

 

  总而言之,传统开关电源在成本上相对较低,技术相对较成熟,开放周期相对较短,但是其在状态显示方面相对较弱,不具备通信功能或者通信功能较差,输出范围有待加大。本次研究中设计的数字式智能型高频开关通信电源能够克服传统的上述劣势,充分显示了软开关技术以及高频开关技术在开关发展过程中的积极作用,实践证明,该开关通信电路在可行性上相对较高,能够促进开关电源高效、安全地工作,值得推广应用。

 

  作者:李晶 来源:中国新技术新产品 201612