基于UC3825的低压大电流开关电源

1 开关电源的设计

开关电源的基本结构主要由7部分组成： 输入整流滤波电路、高频开关变换器电路、整流输出电路、控制电路、保护电路、辅助电源以及显示电路。

1.1 主电路

该设计的主电路拓扑结构如图1 所示， 输入市网220 V 电压， 通过RC 滤波及整流桥整流、全桥逆变、高频变压器、输出整流以实现AC /DC /AC /DC 的变换过程， 最终得到所需要的15 V直流稳压电源。

1.1.1 输入滤波整流( AC /DC)

低电压大电流的开关电源对高频干扰信号以及上电瞬间的浪涌电流十分敏感， 为了保证电路稳定工作， 消除来自电网的各种干扰， 输入的220 V 市电首先经RC滤波电路， 对尖峰电压进行抑制。高频滤波后的电压经整流电路整流， 得到直流电压。桥式整流电路后面的滤波电容具有充放电作用， 滤除整流后的交流成分。

1.1.2 高频开关变换器( DC /AC)

它是开关电源的重要部分， 逆变电路采用全桥变换， 由4个IGBT开关管组成桥的四臂， 每个IGBT并联1个高速功率二极管， 其钳位作用以减小开关管由导通转换为截止时， 变压器产生的电压尖峰， 以保护开关管不被击穿。IGBT, 绝缘栅双极型晶体管， 既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点， 又有通态电压低、耐压高的优点。开关管IGBT 的栅极接收PWM 信号， 当门极加正电压， MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流， 从而使IGBT 导通。此时从P区注入到N 区进行电导调制， 减小N - 的电阻值， 使高耐压的IGBT也具有低的通态压降。在门极上加负电压时， MOSFET内的沟道消失。PNP晶体管的基极电流被切断， IGBT 关断。T1、T4与T2、T3轮流高频通断， 将直流电压变成交流电压， 再经高频隔离变压器变成所需的隔离输出交流电压。此处的高频变压器采用铁基铌铜纳米晶环形铁芯高频变压器， 这种变压器具有损耗小、漏感低、体积小等特点。

1.1.3 输出整流滤波( AC /DC )

由高频隔离变压器输出的逆变电压， 经过大功率高频整流二极管SBD( 即肖特基二极管) 构成的整流电路整流， 再经LC滤波电路滤波后输出直流电压， 输出端的分流器对输出进行采样， 传送到控制电路进行控制调节， 输出稳定的电压。

1.2 控制电路

控制电路是开关电源稳定工作的重要保证， 选取UC3825作为控制芯片， 它由振荡器、PWM 比较器、PWM 锁存器、输出驱动器、限流比较器、过流比较器、基准电压源、故障锁存器、软启动电路、欠压锁定等组成。

UC3825最高开关频率可达到1MH z, 输出脉冲最大传输延迟时间为50 ns, 具有软启动控制和欠压锁定等功能， 应用UC3825的功能设计开关电源的控制电路， UC3825的2个脉冲输出端为开关管IGBT提供PWM 驱动信号， 交替输出脉冲。因此， 每个输出端输出脉冲的频率是振荡器频率的1 /2, 振荡器的频率为200 kH z, 所以输出PWM 脉冲的频率为100 kH z, 输出脉冲占空比在0% ~ 50%以内调整， 为了避免桥臂短路， 常设置死区时间， 因此实际应用中一般达不到50%。UC3825的4、6、11、14脚的波形如图2所示， 11、14脚波形经驱动电路输出耦合至IGBT 的栅极， 控制IGBT的开通和关断。开关管的驱动电路如图3所示。

在实际应用中， IGBT的驱动电路对IGBT的工作好坏具有相当大的影响， 因此， 驱动电路要具有几点要求： 能提供合适的正反向电压， 保证管子可靠的开通和关断; 动态驱动能力强; 信号传输基本无延时， 提高工作速度; 当出现异常情况时， IGBT能实现软关断， 对管子进行过压、过流保护。使用的驱动电路能够提供+ 15 V 和- 15 V的正向和反向电压， 开通和关断延时控制在1u s内， 且具有过压和短路保护， 另外， 具有故障软关断功能。

为了得到稳定的输出， 在输出端进行实时采样。如图4所示， 采样电流流经采样电阻会产生一个压降， 将该压降作为反馈信号， 输入到电压比较器， 与给定的基准电压进行比较， 产生一个差值， 通过误差放大器比较放大后， 输出的差值信号和锯齿波( 或三角波)比较， 从而改变输出脉冲的宽度， 当输出大于基准电压时， 减小脉冲宽度占空比， 反之， 则增大占空比， 以实现能得到一个稳定的输出。

1.3 保护电路

考虑到开关电源的特点和实际的电气特性， 为了使其能在恶劣环境以及突发故障情况下安全可靠地工作， 在实际的制作中充分利用UC3825的特性， 设计了电压电流保护电路以及软启动保护等保护电路。软启动是通过软启动( SOFT、START )脚的外接电容实现的。接通电源后， 软启动脚外接电容放电， 该脚处于低电平， 误差放大器输出低电平， 开关电源无输出电压。

当内部电流源给软启动脚外接电容充电时， 误差放大器输出电压逐渐升高， 直到闭环调节功能开始工作， 开关电源输出电压逐渐升高到额定值。一旦限流( ILIM )脚的电平超过1. 2 V, 故障锁存器置位， 输出脚变为低电平; 同时， 软启动脚外接电容以250uA的电流放电。在软启动电容放完电后， 限流脚电平降到1. 2 V以下时， 故障锁存器就不输出脉冲。这时， 故障锁存器复位， 芯片开始软启动过程。

过流保护和过压保护是在主电路中采样输入到保护电路中， 对电源起到保护作用。保护电路如图5、图6所示。

在开关变换电路和高频变压器之间加上一个检测电流的互感器， 将检测量输入到UC3825的9脚限流端， 当检测到开关电流达到上限电流时， 上限电流比较器输出为高电平， 比较器的输出就是上限电流触发器的S端， 当S 为高电平时， 触发器输出为高， 即触发器输出连接的NPN 管子基极变高， NPN 管子导通， FB被拉低， 从而保护电路的过流问题。

在主电路输出端直接实时采样电压， 与给定电压比较后，把信号放大， 经过隔离后输入到UC3825的2脚， 控制PWM 信号的占空比， 从而控制主电路输出电压的变化。

过热保护是通过检验系统中的热继电器通断来具体实现的， 当开关电源正常工作时， 热继电器处于常通状态， 一旦温度过热， 超过额定值， 热继电器开关会断开， 通断的信号会反馈到控制电路中， 达到过热保护的作用。

1. 4 辅助电源

辅助电源是给控制电路供电的， 分为2 部分： 一部分是UC3825以及其他控制部分的电源， 控制部分的辅助电源。另一部分是电压反馈环节的电源。该设计将电网的220 V 电压接到工频变压器上， 为芯片UC3825, 缺相保护、欠压、过压保护等电路提供5 V、12 V、18 V 等工作电压。

1.5 显示电路

在开关电源的控制面板上， 设有电流表、电压表， 显示输出的电流值、电压值， 辅助电源给电流表， 电压表提供5 V电压驱动数码管， 显示面板上还设置了过热、缺相、异常指示灯、恒流恒压转换开关。作为外在显示部分， 可以清楚地观察到系统的实时工作情况， 保证开关电源安全稳定的工作。

2 实验测试与结果

在测试实验中， 采用可变负载车作为调试负载， 根据需要改变电阻丝的并联条数， 对于输出电压、电流的控制， 可以通过改变控制板上的可变采样电阻， 进而由UC3825调整PWM 信号的占空比， 达到预期的输出值。调试完毕， 还要对机器进行老化试验。该样机的测试结果表明： 电源输出的脉动电压尖峰小， 输出电流平缓稳定， 波动幅值小， 而且具备高效节能， 体积重量小的优点。

3 结束语

开发了15 V /1 200 A的低电压大电流的大功率开关电源，采用脉宽调制芯片UC3825作为控制核心， 对整个系统进行控制。同时， 设计的软启动电路、欠压过压及过流保护电路， 增加开关电源工作的可靠性和稳定性。目前系统已经完成了实验调试， 主电路已经能够安全稳定的带载工作， 该设计为高频开关电压在电镀行业中的应用提供了理论和实践的有力保证。