高頻軟開關通信電源的設計思路探討

李　晶（深圳科士達科技股份有限公司，廣東　深圳　518106）

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高頻軟開關通信電源的設計思路探討

李晶
（深圳科士達科技股份有限公司，廣東深圳518106）

摘要：開關電源包含各種各樣的學科，其中，電力以及微電子屬于主要部分，此外電磁學以及熱力學等也與開關電源息息相關。本次研究針對智能大功率軟開關電源進行分析以及深入研究，針對新型高頻軟開關通信電源電路進行設計，希望能夠為促進新型開關通訊電源的設計提供科學的參考依據。

關鍵詞：高頻化；軟開關技術；數字式開關通信電源

開關電源在整個控制電源系統中屬于一個控制核心，目前，其在生產生活中的應用已經越來越廣泛，實現了普及。近年來，能源慢慢走向枯竭，大家開始提出綠色節能的理念，希望在該理念指導下進行能源利用，這也給電源行業帶來了新的變革。

一、開關電源技術的高頻化發展

20世紀70年代以后，系統電力電子理論開始確立，給開關電源技術發展打下了較好的理論基礎。開關電源開始應用階段，其開關頻率相對較低，可靠性有待提高，且表現出功率密度低等不足。面對這種情況，開關穩壓電源設計也不斷進行改善，不斷縮小其具體體積以及實際重量，盡可能地減少其功耗，促進其功率的大幅提高，獲得更好的工作可靠性，為其實際使用以及維護提供了更大的集成化可能。現階段，現代開關電源技術在發展上呈現出高頻化趨勢。

電子裝置要想實現小型化發展，逐步走向輕量化道路，首先必須要實現電源小型化，因為電源在整個電子裝置中占據著重要地位，開關電源要想實現小型化，第一步就是要促使開關電源走向高頻化。開關電源只有不斷提高其工作頻率，才能夠有效減少高頻變壓器實際體積，并且為濾波電容實際體積的縮小提供可能，盡可能增加其功率密度，保證其動態響應進一步優化。然而，高頻化過程中也存在一些不可避免的問題，開關具體頻率提升之后，其功率開關元件在實際損耗上會出現增加，無源元件也會出現更嚴重的損耗，導致高頻電磁出現干擾現象。

圖1傳統高頻開關電源結構

圖2數字式開關通訊電源系統結構

二、開關電源技術的軟開關技術

現代電力電子技術發展應用過程中，軟開關變換器屬于一大熱點。因為傳統開關電源選擇的是硬開關技術，其在導通以及關斷時會出現較明顯的電壓，引發較大幅度的電流變化，導致大量電磁干擾的出現，造成開關管壽命出現減小。開關損耗情況會因為工作頻率的變化而發生變化，如果工作頻率出現增加，其損耗也會隨之變多，而開關電源內部的各種元件也會隨之出現較嚴重的損耗。硬開關技術無法滿足越來越高的開關技術發展需要，不利于促進開關電源的小型化發展，也不利于促使開關電源更好地實現高頻化。因此，我們必須要不斷完善頻率調控策略，通過這種方式優化功率管實際開關條件，這就要求發展軟開關技術。軟開關技術的在開關通訊電源電路設計中的應用能夠促進開關穩壓電源整體性能的提升，提高其具體工作頻率，加快其轉換效率，從而更好地促進輸出電流的增加，同時減少電磁干擾。

三、傳統高頻開關電源結構

傳統高頻開關電源在具體結構上如圖1所示。根據圖1我們可以知道，傳統高頻開關電源除了包括濾波整流電路、高頻變換器以及輸出整流濾波電路外，采樣及控制電路、輔助電源電力以及硬件保護電路均屬于其重要構成部分。現階段，國外相當一部分大功率開關電源均選擇源功率因數校正技術進行應用，針對開關電源進行輸入處理的過程中專門設計相應的有功率因數校正電路板。針對生產生活中的電源產品，高頻開關電源對附近設備會產生一定的電磁干擾。另外，為了促進功率因數的增加，盡量避免開關電源輸入電流發生畸變，以免干擾電網運行，應在電網以及開關電源輸入之間加用功率因數校正技術。功率因數校正電路的應用不但能夠促進開關電源在輸入功率因數方面得到提高，而且能夠實現對本機干擾信號的有效阻止，以免其干擾整個電網運行。

四、數字開關通信電源電路及其實現

傳統開關電源由于工作原理以及控制方式等方面存在缺陷，其功能相對比較單一，針對開關電源具體控制，選擇模擬調節的方式來開展，這種做法會導致開關電源產品無法在新應用領域進一步推廣。數字開關電源在應用過程經數字控制的方式來針對開關電源的輸出調節功能進行控制，并且控制其軟啟動停止等操作。開關電源具體工作實際上就是功率器件針對控制脈沖進行調制的過程，在此過程中，功率管脈沖對于控制信號的調制屬于重中之重。綜合分析脈沖調制信號在實際產生方式上的差異，可以將數字開關電源具體實現方式劃分為兩種模式，第一種是直接控制模式，第二種是間接控制模式。直接控制模式主要是借助微處理器針對軟件方式的驅動脈沖進行輸出，而主控制其按照輸出的AD采樣值，借助相應的軟件措施針對控制脈沖開展調制處理。另外主控制器必須要針對不同的檢測電路進行實時觀察，了解電源的具體工作狀態，同時促進軟件以及硬件的有效結合，實現對電路的有效保護。直接控制在具體實現方式上相對比較靈活，該模式能夠在各種控制策略下進行應用，然而，直接控制模式仍存在一些缺陷和不足，表現在以下幾個方面：

其一，直接控制對于主控芯片具備極高的性能要求，其脈寬調制波相對比較復雜，必須要通過高級定時器發揮相應功能，并通過各種復雜的中斷程序來做支撐，才能夠實現應用。

其二，其定時器中斷相對較頻繁，導致程序在具體執行效率上無法得到提高，造成系統可擴展性處于較低水平。

其三，微控制器針對電平進行輸出的過程中無法實現對功率開關管的直接驅動，而必須要通過控制信號電平完成轉換。

其四，硬件保護在具體實現上相對較復雜，不利于提高系統的運行可靠性。

與直接控制模式相對應的是間接控制模式，該模式針對反饋電路以及控制電路開展模擬電路設計，脈沖調制模塊通過專用集成數字電源芯片開展相關調制工作。脈沖調制模塊可以綜合分析控制系統相關給定信號，研究具體的輸出采樣電路反饋信號，將兩者進行有效比價，同時實現對控制脈沖的自動化調制，通過這種方式促進主電路的自動閉環運行。

近年來，開關電源芯片不斷走向集成化發展道路，專用開關電源控制芯片一般具備軟啟動功能，電路保護功能以及故障檢測功能，能夠進一步提高系統可靠程度。此外，集成化能夠為微處理器創造控制接口，有利于實現對開關電源的有效控制，進一步拓展其具體功能。在集成化模式下，控制電路通常需要針對數字進行給定，負責控制軟啟動停止，并且需要完成數據采集、數據顯示以及開關電源通信等任務。采用間接控制模式時，其反饋回路的具體設計情況直接影響電源產品的實際功能以及整體性能狀況。站在產品維護性視角上看，實際高頻開關電源產品中大部分選擇間接控制模式進行應用，而直接控制模式一般應用在對不同控制策略的探索以及研究過程中。

因為開關電源的高頻率，其余開關電源的控制技術也慢慢走向數字化方向，數字式開關通信電源一般采用間接控制模式，其反饋回路的具體設計情況直接影響電源產品的實際功能以及整體性能狀況。本次研究中采用的數字式開關通信電源在工作頻率上為200kHz，交流輸入電壓為（AC220V、AC110V）；直流輸出電壓（DC48V、DC24V、DC15V、DC12V、DC5V）。間接控制模式下的數字式智能型開關通信電源在具體結構上如圖2所示。該結構中，硬件電路除了包括主功率板、控制板以及隔離驅動板之外，還包括反饋信號以及保護信號電路。因為市面上并不一定可以找到合適的大功率磁芯，該結構中主電路高頻變壓器選擇4個小型高頻變壓器進行應用，通過原邊串聯副邊并聯的模式來滿足大電流在輸出方面的具體設計要求。該結構圖中，TV代表著霍爾電壓傳感器，TA則代表著電流傳感器，主要針對主電路輸入電流、高頻變壓器副邊整流電流以及總輸出電壓等開展檢測工作，本電源選擇PT100熱敏電阻針對IGBT的具體溫度進行檢測。

該電源系統中，選擇STM32F103ZET6芯片作為主控制其的芯片，借助多通道高速AD轉換器實現對傳感器輸出信號的有效采樣。采樣結果能夠發揮良好的電路保護作用。用戶可以借助觸摸以及計算機實現對輸出的具體設定，針對輸出反饋信號以及用戶給定信號兩者間開展對比，獲取偏差信號，通過選擇增量式數字PI調節器算法開展相關調節工作。針對控制量，經過STM32片的DAC將其輸出到UCC3895的誤差放大器同向輸入端中。UCC3895專用電源芯片綜合分析誤差放大器實際輸入信號，實現對脈沖寬度的自動化調整，通過這種方式針對輸出電壓電流進行自動化閉環調節處理。輸出總電流檢測信號連接UCC3895電流傳感端CS，為電源主電路開關管提供良好的過流保護。如果發現緊急情況，電源主控制器可以針對UCC3895的SS/DISS管腳進行靈活控制，促使其實現軟停止，從而為開關電源提供有效保護。

總而言之，傳統開關電源在成本上相對較低，技術相對較成熟，開放周期相對較短，但是其在狀態顯示方面相對較弱，不具備通信功能或者通信功能較差，輸出范圍有待加大。本次研究中設計的數字式智能型高頻開關通信電源能夠克服傳統的上述劣勢，充分顯示了軟開關技術以及高頻開關技術在開關發展過程中的積極作用，實踐證明，該開關通信電路在可行性上相對較高，能夠促進開關電源高效、安全地工作，值得推廣應用。

參考文獻

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中圖分類號：TN86

文獻標識碼：A