王富強

(蘭州交通大學電子與信息工程學院，甘肅蘭州 730070)

電子產品的能耗問題日益突出，如何降低其待機功耗，提高供電效率成為一個亟待解決的問題。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源雖然電路結構簡單，工作可靠性高，但仍存在體積大、銅鐵消耗量大、效率低、工作溫度較高以及調整范圍較小的缺點。為了解決傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源所產生的問題，人們將研究的重點轉移到了開關電源上。我國的開關電源產品雖已得到了廣泛的推廣與應用，但由于傳統(tǒng)功率器件頻率和功耗的限制，導致多數開關電源產品采用頻率為20 kHz以下的PWM技術，其效率僅能達到60% ～70%。

如何在減小開關電源體積的同時，提高其效率，是開關電源研究的一個重要方向。本文在應用同步整流技術的基礎上，進一步加入了軟開關技術來降低電路的開關損耗:一方面，應用阻抗更小的MOSFET代替?zhèn)鹘y(tǒng)二極管來降低整流損耗;另一方面，軟開關技術的運用可以提高開關電源變換器的開關頻率，從而減小了變換器的體積，增加變換器的功率密度，并降低了開關時產生的電路損耗。

1 基本原理與系統(tǒng)結構

文中根據電壓控制模式開關電源的特點，設計了一款新型ZVT同步整流降壓型變換器，其特性與具體指標如下:其是一種通用的降壓型DC/DC變換器，采用電壓反饋模式控制的脈沖寬度調制(PWM)方式，具有負載范圍寬、總體損耗小、效率高、抗干擾能力強、低噪聲、靜態(tài)電流小等優(yōu)點［1］。文中將主流的同步整流技術與新提出的軟開關拓撲應用其中，其輸入電壓為電源電壓12 V，輸出為3.3 V的穩(wěn)定電壓。

如將上述拓撲結構與同步整流Buck變換器結合，便形成了ZVT同步整流Buck變換器，通過外部電路產生脈沖信號，并通過內部芯片進行脈沖延遲、欠電壓檢測、脈沖放大器和脈沖濾波等一系列操作，其原理框圖如圖1所示。

根據圖1框圖，調制及變換后的脈沖最終通過輸出電路并按照設計的開關時間和順序驅動3個開關。其中，信號調制電路、脈沖變換電路以及開關輸出電路均可通過IC控制下的ZVT同步整流Buck變換器實現。

圖1 外部電路原理框圖

2 ZVT同步整流Buck變換器

在低電壓、大電流輸出的情況下，傳統(tǒng)的二極管整流電路因其整流損耗已無法滿足實現低電壓、大電流、高效率的開關電源，更達不到小體積，這就成為制約DC/DC變換器提高效率的瓶頸［2］。而功率MOSFET作為開關管，導通電阻≤0.01Ω，可用MOSFET作為整流管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二極管，進一步提高其效率。在使用MOSFET整流時，要求柵極電壓必須與被整流電壓相位一致，故稱為同步整流，圖2為同步整流Buck電路的簡化圖。

圖2 同步整流電路原理圖

圖3為同步整流Buck變換器，要實現同步整流，在設計過程中需考慮到留有一定的死區(qū)時間，用以避免S或S2同時導通，相當于開關器件直接接地導致器件上電壓電流瞬間增大，使開關損壞。為產生死區(qū)時間就需要兩個同步的PWM信號來驅動這兩個開關，在這兩個信號間互相比較，使得驅動時能產生兩管間所要求的驅動時間間隔［3］，故應在設計中選擇用同一芯片驅動兩個開關管，在該操作的作用下，用于S2管導通的時間將會變長，從而可解決一部分由于頻率增大所導致的系統(tǒng)異常，對于低占空比的變換器優(yōu)勢也將更加明顯。

圖3 應用IRS2181芯片的同步整流變換器原理圖

在此Buck同步整流變換器中，同步整流MOSFET管是由IC控制，既由IRS2181芯片驅動和控制。因此，此驅動信號具有控制時序準確、驅動電壓恒定、不受輸入或輸出電壓影響的優(yōu)點。

在圖3中，此變換器脈沖產生部分使用555定時器設計了一個脈沖發(fā)生信號器，如圖4所示。其中，電路由 555、VT1、VT2、R1、R2、RP1和 C1組成了一個多諧振脈沖發(fā)生器。電路中電容C1的充、放電回路獨立分開，調節(jié)RP1時，電路中只改變充電放電的時間常數并不會改變電路的震蕩頻率。在C1充電到2/3的輸入電壓之前，3腳呈高電平，VT2導通，RVT1呈現較小的阻抗，調節(jié)RP1，可使占空比在2% ～98%范圍內變化，而周期不變。驅動信號產生后送入IRS2181中進行處理，并進行脈沖整形和輸出，然后經由HO和LO輸出。基本的Buck電路只需驅動高端開關，LO端口則空閑。

圖4 占空比可調的定周期脈沖發(fā)生器電路圖

文中應用驅動芯片采用國際整流(IR)公司的IRS2181架設驅動電路。之所以應用該芯片是由于:專有的單獨邏輯接地引腳VCC對于COM瞬態(tài)電壓變化具有更高的免疫力。IRS2181在芯片中采用了高度集成的電平轉換技術，大幅簡化了邏輯電路對功率器件的控制要求，此外，提高了驅動電路的可靠性［4］。同時上管采用外部自舉電容上電，使驅動電源數目較其他IC驅動明顯減少，在工程上大幅縮減了控制變壓器體積和電源數目，且降低了產品成本，提高了系統(tǒng)可靠性。

將圖2中的ZVT同步整流電路進行拓撲分析，如圖5所示。其中，S為主開關，S1為輔助開關，S2為同步整流開關，Lr為諧振電感，Cr為諧振電容，D為高頻肖特基二極管。S1、Lr及Cr所構成的輔助諧振網絡將約在1/10個周期內完成軟開關的操作，此網絡與主開關并聯，從而構成了ZVT軟開關拓撲結構［9－10］。

圖5 主電路拓撲圖

按照設計要求和框圖結構，設計應用了兩個IRS2181芯片分別驅動開關管和整流管。主開關管與整流管共用一個芯片，方便產生死區(qū)時間，避免器件因瞬間通過大電流或大電壓而造成的不必要損失，輔助開關管單獨應用一片芯片驅動，如圖6所示。

圖6 應用IRS2181芯片的ZVT同步整流變換器原理圖

3 仿真及結果

在固定負載的條件下，電路利用仿真高速、用戶界面友好的PSIM 6.0工具仿真［5－8］，其仿真結果如圖7所示。

如圖7(a)所示，在Cs兩端電壓為零時，主開關管S在ZVS條件下導通。電路中有一小段時間電流應力偏高，電壓的最大值并未超過器件可承受的電壓應力，且S的關斷也是在ZVS條件下完成的，這與前面分析的電路波形基本一致。

如圖7(b)所示，輔助開關管S1也是工作在軟開關條件下的。S1在諧振電感Lr的作用下零電流導通，又在當流過Lr和Cr的諧振電流變?yōu)榱銜r，在零電流的條件下關斷。其反并聯二極管在S1為零電流關斷時導通，在諧振電流將為零時關斷。而仿真波形驗證了前面理論分析波形的正確性，輔助電路僅工作一小段時間，其導通時間短暫。通常其工作時間段長度＜1/10個開關周期。

如圖7(c)所示，同步整流管S2當Cr完全放電后，在ZVS條件下導通。同樣，其關斷也是在ZVS條件下完成的。與S、S1類似，也能在器件的安全工作區(qū)工作，且與其他開關相比可在較低的功率下工作。

如圖7(d)所示，肖特基二極管D僅在Cr放電給負載時，工作一小段時間，其導通和關斷均在ZVS條件下完成。二極管在導通期間會產生一個可計算的導通壓降，對于小功率的變換器，該壓降的大小對整個電路的效率影響較大。隨著半導體技術的發(fā)展，各型號的導通壓降小的二極管相繼出現，使相應的選擇范圍將更廣泛。

圖7 電路各主要電量仿真圖

通過上述分析可知，本文提出的ZVT同步整流Buck拓撲中所有的有源或無源器件均實現了在軟開關條件下工作，且本拓撲在未增加S和S1上電流或電壓應力的基礎上，提高了電路的整體效率。本拓撲結構簡單，采用ZVT拓撲和同步整流技術后整體電路損耗銳減，易于控制實現，并可應用到其他的PWM DC/DC變換器和所有的開關電源上。在一個開關周期內多數時間均工作在PWM條件下，而輔助電路只工作約10%的時間，電路有較寬的負載范圍。

4 結束語

本文在開關電源的整流部分應用阻抗更小的MOSFET代替?zhèn)鹘y(tǒng)二極管來降低整流損耗，提出了在電路拓撲中將ZVT軟開關技術與同步整流技術相結合的方法。通過仿真實驗，驗證了主開關和整流開關在零電壓下導通，輔助開關在零電流下導通，且所有開關的工作均是在未增加器件電流或電壓應力的基礎上完成。證明了本設計更適宜在低電壓大電流下工作，在轉換效率上也得到了大幅提高。

［1］王正仕，張軍明.實用開關電源設計［M］.北京:人民郵電出版社，2006.

［2］Adib E，Farzanehfard H.Zero－ voltage－transistion PWM converters with synchronous rectifier［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25(1):105 －110.

［3］高波，謝澎波，馮君華.集成PWM控制器UC1525在開關電源中應用［J］.船電技術，2009，29(9):26 －29.

［4］Internationl Rectifier.IRS2181/IRS21814(S)PbF datasheet［M］.USA:Internationl Rectifier，2006.

［5］尹華杰.開關電源仿真［M］.北京:人民郵電出版社，2007.

［6］Huang W，Gao X，Bassan S，et al.Novel dual auxiliary circuits for ZVT － PWM converters［J］.Canadian Journal Electronic Computer Engineering，2008，33(3):153 －160.

［7］蘇盈.軟開關Buck ZVT－PWM開關電路設計及其Pspice仿真［J］.通信電源技術，2010，27(4):13 －16.

［8］Mohan PR，Kumar M V，Reddy O V R，et al.Simulation of a novel zero voltage transition technique based on boost power factor correction converter with EMIfilter［J］.ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences，2007，2(4):1 －5.

［9］趙衛(wèi).開關電源的過流保護電路［J］.電子科技，2011，24(6):116－117.

［10］郭鍵，朱杰，董萍萍.一種基于MSP430單片機的開關電源設計［J］.電子設計工程，2012，20(19):134 －138.