一種高可靠性準(zhǔn)諧振反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種高可靠性準(zhǔn)諧振反激式開關(guān)電源。分析了準(zhǔn)諧振反激式開關(guān)電源和電源冗余的工作原理及實(shí)現(xiàn)方式。通過實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了理論分析的準(zhǔn)確性，提高了電源可靠性。證明該電源降低了開關(guān)損耗，具有較高的電源效率；表明了兩路冗余電源具有較好的均流效果。
關(guān)鍵詞：準(zhǔn)諧振；冗余；反激；開關(guān)電源

隨著社會(huì)對能源效率和環(huán)保問題的關(guān)注度日益提高，人們對開關(guān)電源的效率期望越來越高，而減少開關(guān)損耗是提高效率的重要途徑之一。采用準(zhǔn)諧振技術(shù)控制開關(guān)管，使其在開關(guān)管兩端電壓最小時(shí)開通，可以很大程度地減少開關(guān)損耗，相比傳統(tǒng)的反激式開關(guān)電源，最多可以提高5％以上效率；同時(shí)開通過程中因開關(guān)管承受的電壓較低，產(chǎn)生的dv／dt也小，于是產(chǎn)生較小的EMI，有效的解決電磁干擾等問題。
另一方面，開關(guān)電源現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于鐵路的通信網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)中。電源除了要連續(xù)運(yùn)行外，還要經(jīng)受高低溫、高濕、沖擊等考驗(yàn)。這就要求電源設(shè)備必須有很高的可靠性。采用冗余結(jié)構(gòu)是一種有效提高電源可靠性的方法。本論文通過采用準(zhǔn)諧振控制芯片和兩路冗余熱備份結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出一種高可靠性的準(zhǔn)諧振反激式開關(guān)電源。

1 準(zhǔn)諧振反激式開關(guān)電源的原理及實(shí)現(xiàn)方式
(1)準(zhǔn)諧振反激式開關(guān)電源原理分析
準(zhǔn)諧振反激式開關(guān)電源基本原理和等效原理圖如圖1、2所示。其中Lm為原邊勵(lì)磁電感，Lk為原邊漏感。電容Cd包括主開關(guān)管Q的輸出電容Coss，變壓器的匝間電容以及電路中的其他一些雜散電容。Rp為初級(jí)繞組的寄生電阻，包括變壓器原邊繞組的電阻，銅線的高頻趨膚效應(yīng)、磁材料的損耗以及輻射效應(yīng)的等效電阻。

準(zhǔn)諧振反激式開關(guān)電源工作在DCM或CRCM狀態(tài)，副邊二極管電流下降到零之后，電容Cd，原邊電感Lp=Lm+Lk以及電阻Rp構(gòu)成一個(gè)RLC諧振電路，主開關(guān)管Q兩端電壓Vds將產(chǎn)生振蕩。傳統(tǒng)的反激式開關(guān)電源主開關(guān)管可能Vds振蕩波形任一點(diǎn)處開通，視負(fù)載情況而定。而準(zhǔn)諧振反激式開關(guān)電源，不管負(fù)載情況如何，總是在當(dāng)檢測到Vds波形振蕩到谷底時(shí)，控制器控制主開關(guān)管Q開通，降低主開關(guān)管Q的開通損耗，同時(shí)使得輸出電容Cd上的能量損耗達(dá)到最小，波形圖如圖3所示。

在振蕩階段，Vds的值可以用如下的式子表示

其中n為原副邊匝數(shù)，α為振蕩的衰減系數(shù)，其表達(dá)式為：

可以看出如果有n(Vout+Vf)≥Vin，在T2時(shí)刻，主開關(guān)管的體二極管導(dǎo)通，此時(shí)控制主開關(guān)導(dǎo)通，主開關(guān)就能實(shí)現(xiàn)零電壓開通。
如果n(Vout+Vf)≤Vin，盡管主開關(guān)無法實(shí)現(xiàn)零電壓開通，但是讓主開關(guān)在T2時(shí)刻導(dǎo)通仍然可以最大程度上減小主開關(guān)的開通損耗。