一種硬開關全橋輸出帶預偏電壓啟動的方案

2013-10-27 05:53:00譚果

通信電源技術 2013年6期

譚果

（貴州大學電氣工程學院，貴州貴陽 550025）

0 引言

一般情況下，DC／DC電源模塊是在輸出端沒有電壓且帶負載的情形下啟動。但是有時候，電源模塊在啟動之前輸出電壓并不是零電壓。一種比較常見的情況是，DC／DC電源模塊的輸出端接了比較大的解耦電容，而放電電阻的阻值不夠小，這時候輸出電容的放電時間常數就會比較大。當電源模塊突然斷電，在輸出電容放電完成之前又重新啟動，那么電源模塊的輸出端就會存在一個預偏電壓。另一種比較常見的情況是，當兩個或者多個電源模塊并聯給同一個負載電路供電時，有時候會很難做到多個模塊同時啟動，可能會有的模塊先啟動，有的模塊后啟動，這樣就會造成后啟動的模塊會在一定輸出電壓的情形下啟動，即預偏置電壓啟動。如果電源模塊沒有這一功能，就有可能導致輸出電壓不是單調上升，嚴重時還有可能會出現重啟或者損壞同步整流管的現象。所以直流變換器有必要添加預偏置啟動的功能。現有的許多啟動方案存在成本高，電路復雜，效率不高的缺點，對預偏置啟動的方案進行深入研究是完全必要的。

本文首先分析了硬開關全橋變換器在輸出有偏置電壓不能正常啟動的原因，然后提出了一種簡單、性能優越的實現方案，并在硬開關全橋電源模塊上進行了理論分析和實驗驗證。

1 硬開關全橋變換器的預偏置啟動分析

現在大多數高性能低壓變換器和穩壓器都使用了同步整流技術（功率MOSFETs來代替二極管）。與二極管相比，功率MOSFET的導通壓降比二極管的導通壓降小，并且可精確地控制其導通時間，這些特性極大提高了電源模塊的效率和功率密度。同步整流技術被廣泛認為可以實現高效率的需求。下面以圖1為例，分析硬開關全橋拓撲帶預偏電壓不能正常啟機的原因。

當原邊QT1與QB1導通時，副邊同步整流管Q4導通，Q1關斷。此時，能量的傳遞方向是從輸入到輸出，變壓器將能量傳遞給輸出，同時輸出電感也會儲存一部分能量。當QT1與QB1關斷，QT2與QB2打開之前，Q1與Q4導通，這時電感上的能量通過同步整流管傳遞給輸出。由于MOSFET是雙向導通的，在特定的條件下，電流會通過MOSFET反灌至變換器，這樣能量就從輸出向輸入傳遞。例如，如果變換器穩態工作時突然關機，然后很快又開機，那么輸出電容上儲存的能量和電壓會比變換器剛開始的幾個開關周期要大。如果同步整流工作在這種情況下，電容上面的電壓和能量就會通過Q1和Q4向輸出電感充電，輸出的能量就會反灌回變換器。一般情況下，為了使輸出電壓緩慢增大，變換器在啟動到穩態工作時，都會有一軟啟動過程。在這個過程中，原邊驅動從小變大，副邊與原邊驅動互補，由大變小。由此不難得出當副邊MOSFET長時間在預偏電壓的情形下導通時，就會導致:（1）輸出的預偏置電壓降低，即輸出電容被放電，使得輸出啟動波形不單調；（2）流過同步管的反向電流非常大，而增大了同步管的損耗，嚴重時會損壞同步管；（3）使電感或變壓器飽和，直至損壞開關管［1］。

圖1 硬開關全橋變換器原理圖

早期的電源模塊中，都沒有預偏置啟動這一功能。但是隨著對電源的要求越來越高，許多服務器生產商，如HP、DELL、HUAWEI等都明確提出帶預偏置啟動是必需也是很重要的功能。IC供應商也針對這個需求，推出了很多具有這個功能的芯片，如Intersil的ISL6420A、ISL6535、ISL8104。TI 的 TPS40007、TPS40009、PS40057， MAXIM 的 MAX8543、MAX8544、MAX5095C、MAX1917，IR 的 1R3612I、NS的LM2745等［2］。目前解決預偏置啟動有以下兩類方法:一類是在啟機過程中，原邊與副邊的占空比都是由小變大慢慢展開，直至軟啟動完成后，原副邊才互補。這種方法實現起來簡單，但是如果副邊MOSFET展開速率不合適，會造成輸出電壓有過沖，或在預偏電壓處有跌坑。另一類就是在模塊的輸出端加一開關管（如圖2所示），通過檢測開關管的壓降來判斷是否打開開關管。這種方法使各個模塊的一致性比較好，但是，由于加了檢測電路，成本提高，降低了產品的競爭力。

圖2 輸出加開關管的啟動方式

鑒于傳統方案的不足，提出一種成本低、性能好的方案，使得輸出電壓能在預偏電壓處單調上升，并且輸出不會有跌坑和過沖的現象已成為大勢所趨。

2 新方案的分析

本方案選用德州儀器（Texas Instruments）生產的數字控制器UCD3138作為主控制芯片。該控制器在一個單一芯片解決方案內提供高集成度和出色性能。其核心為數字控制環路外設，也被稱為數字電源外設。每個DPP執行一個高速數字控制環路，此環路由一個專用誤差模數轉換器（EADC）、一個基于2極－2零數字補償器的PID和具有250ps脈寬分辨率的DPWM輸出組成［3］。這為隔離電源控制提供了極大便利。本方案主要是采用調節參考電壓和環路初始值的方法，從而使輸出能在預偏電壓的基礎上單調上升。下面具體分析如何在UCD3138電壓型控制的基礎上實現預偏置啟機。

2.1 預偏置啟動分析

如圖3所示，ADC檢測到的輸出電壓與參考值相減得到誤差值，該誤差值作為PID環路輸入，環路會計算出一個特定的占空比，來調節輸出電壓。

圖3 數字環路控制框圖

在電源啟動之前，控制器會對輸入輸出電壓檢測。當開機條件滿足后，此時如果輸出沒有預偏電壓，那么參考電壓的初始值和環路的初始值均賦為零，啟動電源，并且緩慢增加參考值直到目標的參考電壓，這樣環路的輸出緩慢增大，從而控制原邊開關管的驅動緩慢展開，輸出電壓則會從零開始慢慢上升。

如果AD檢測到輸出不是從零開始，這時就需要預偏置啟動功能。在Buck正激變換器中，輸出電壓等于開關管的占空比乘以輸入電壓。為了使模塊能在預偏電壓處啟動，最簡單的方法就是讓PWM輸出一個確定的占空比，以保證模塊輸出電壓不比預偏電壓低。在該方案中，將檢測到的輸入輸出電壓，換算成一個確定的占空比數據，然后將該值作為環路的積分環節的初始值。到目前為止僅僅保證剛開始輸出電壓為預偏電壓，為了使電源的輸出電壓在預偏電壓處單調上升，則還需將參考電壓設置為與預偏電壓相對應的值，然后在該值處緩慢增加參考電壓。整個啟動過程中，原邊開關管與同步整流管的驅動互補，這樣不需要經過肖特基整流，可以提高開機效率。整個軟啟過程是通過增加參考值的方法來增大輸出電壓，并且都是閉環控制，沒有從開環到閉環的切換，環路的輸出始終控制DPWM的占空比，所以在有預偏電壓的情況下，只要初始值正確，輸出電壓就不會出現過沖和跌坑。

2.2 系統軟件預偏置啟動流程

系統軟件分為狀態機和背景程序。狀態機是整個系統的核心部分，該部分程序在標準中斷中執行。在電源模塊啟動之前，每次中斷都會判斷是否滿足開機條件，當開機條件滿足時，則會進入預偏置啟動的狀態。圖4是預偏置啟動的具體流程圖。

圖4 預偏置啟動的流程

3 實驗驗證

為了驗證上述理論分析的正確性，本實驗在圖1硬開關全橋拓撲進行實驗驗證。具體實驗參數:輸入48V，輸出12V，輸出功率360W，預偏電壓10.8V（最大輸出電壓90%處）和6V（最大輸出電壓50%）。由圖5和圖6可知，在10.8V和6V處，實驗波形理想，輸出在預偏電壓處既沒有跌坑，也不會有過沖，模塊也不會損壞。