基于ICE2QS03G芯片準諧振反激電源設計

許繼昌南通信設備有限公司 劉玉琦

許繼電源有限公司 袁順剛

引言

輔助電源由于具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、高效率以及高可靠性等優(yōu)點，被廣泛使用在控制系統(tǒng)電源領域。目前開關電源通常基于電流型定頻PWM控制芯片設計開關電源，這類開關電源芯片外圍電路結(jié)構(gòu)部復雜、電子器件較多、啟動電阻損耗較大、效率曲線不夠理想，負載狀態(tài)在80%后才可以實現(xiàn)高效率應用[2]。而在控制系統(tǒng)電源領域會存在低負載、輕負載與負載突變等特點[3]。

1.控制芯片簡介

ICE2QS03G芯片是第二代準諧振 PWM 控制器，并針對離線式電源應用進行了優(yōu)化。采用數(shù)字降頻，頻率根據(jù)負載下降進行調(diào)整下降，在輕負載時仍可實現(xiàn)準諧振工作。與傳統(tǒng)PWM控制器解決方案對比，系統(tǒng)平均效率得到顯著提高。主動突發(fā)操作模式可實現(xiàn)待機操作模式下的超低功耗，還可實現(xiàn)低輸出電壓紋波。多種保護功能可使電源系統(tǒng)在發(fā)生故障時得到全面保護[1]。典型應用如圖1所示。

2.主電路設計

主電路設計采用模塊化功能分區(qū)電路設計思想，具體來講是為了保證不同電壓等級兼顧交直流通用，在兼顧生產(chǎn)成本情況考慮下，對電路進行板卡式設計。電路設計電壓為輸入DC120～480V，輸出為12V/1A，5V/2A兩路輸出，可根據(jù)交直流不同輸入工況，決定是否增加整流電路，整流電路采用插卡鏈接設計。該電路板主要以板卡形式安裝在控制系統(tǒng)機箱主控板上，主要由輸入電容、RCD吸收電路、控制電路、MOS管、高頻變壓器、整流輸出電路、輔助供電電路和電壓反饋電路組成。主電路如圖2所示。

2.1 主功率管選擇

主功率mos管是開關電源關鍵器件，通過芯片輸出一定頻率的PWM方波，控制對其通斷，將母線上直流電壓轉(zhuǎn)換成高頻脈沖電壓，設計時1.5倍的裕量，保證在最高電壓下能夠正常工作。

通過計算選用英飛凌公司生產(chǎn)的型號為SPD03N80C3的MOS管，其耐壓為800V，導通電流為6A。

2.2 感性器件計算

在開關電源中高頻變壓器是主要的功率轉(zhuǎn)換器件，起到電能存儲、電壓轉(zhuǎn)換、隔離等作用，是電源中的核心器件。變壓器和開關管一起構(gòu)成一個震蕩器，把輸入電壓調(diào)制成一個高頻脈沖電壓。

原邊電感量：

圖1 ICE2QS03G的典型應用

圖2 輔助電源主電路圖

圖3 驅(qū)動輸入MOS管波形

圖4 輸出負載突變驅(qū)動波形

計算原邊平均電流：

計算原邊最小匝數(shù)與匝比：

2.3 輸出整流電路

副邊輸出整流電路中整流二極管，其作用是減少降壓，提高效率，一般會使用超快恢復二極管，主要從三個方面的因素進行考慮選擇，額定電壓、額定電流、反向恢復時間。

電流一般選擇額定電流的2倍。

3.主電路設計

3.1 輔助供電繞組

輔助繞阻的設立是保證在芯片完成啟動，輸出電壓建立，電壓環(huán)路正常工作后，為芯片提供穩(wěn)定VCC。如圖2中所示，A部分是輔助繞組供電單元，該部分在設計時增加了一個線性穩(wěn)壓電路。采用一個NPN三極管與穩(wěn)壓管配合使用，另加一個限流電阻。該電路的優(yōu)點是，當電壓低于VCC典型值并未到最低下限時，可跟隨穩(wěn)壓電路的輸入端輸出電壓，高于VCC時能夠提供一個設定的穩(wěn)壓值輸出，經(jīng)過實驗數(shù)據(jù)顯示，可保證電壓波動范圍最大為10V。通過該電路設計能夠增強PWM芯片的穩(wěn)定性。

3.2 電壓環(huán)路設計

開關電源的副邊電壓反饋環(huán)路，電路原理如圖2中B部分所示，采用2.5V穩(wěn)壓器件TL431作為基準與反饋誤差放大器。輸出電壓采樣調(diào)節(jié)，是根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)響應特性進行設置，為避免次諧波震蕩傳入控制回路，采用兩點接入法，即a點接入在次級整流輸出和L之間，保證快速路徑的反應，b點接入在L之后，LC輸出濾波限制了快速路徑的帶寬，但是提供給快速路徑的偏置電壓經(jīng)過濾波之后，紋波擾動較小。

電壓的變化通過電阻分壓，產(chǎn)生相應的誤差電壓，影響基準源，該誤差電壓通過光耦PC817轉(zhuǎn)變成誤差電流，通過光電轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)匠跫壭酒現(xiàn)B控制腳，進入控制芯片內(nèi)部進行控制運算。ICE2QS03G芯片通過此信號輸入，產(chǎn)生相對應的PWM信號來控制功率開通關斷時間。該設計使電源的動態(tài)響應更快，保證了隨負載變換時輸出電壓穩(wěn)定[1]。

4.實驗驗證

根據(jù)上述的原理方案設計，制作出120～480V輸入，12V、5V輸出，準諧振反激輔助電源樣機，并進行了自測，驗證設計的正確性。

（1）驅(qū)動端波形如圖3所示。

（2）負載突變驅(qū)動波形如圖4所示。

5.結(jié)束語

本通過實驗數(shù)據(jù)分析，基于ICE2QS03G準諧振控制器的反激式開關電源電路，具有寬范圍、高效率、負載適應性強等優(yōu)點，同時該電源體積小外圍電路簡潔，生產(chǎn)成本低，該電源在一些控制系統(tǒng)電源產(chǎn)品中使用，現(xiàn)場表現(xiàn)良好，運行穩(wěn)定可靠，具有較大的推廣價值。

[1]袁順剛,劉玉琦等.高壓直流寬范圍輸入輔助電源設計[J].電子世界,2018(05).

[2]朱曉曲.基于UC3842的多端反激式開關電源的設計與實現(xiàn)[D].湖南大學,2013(08).

[4]余鋒.基于UC3845芯片的反激式開關電源設計[J].數(shù)字技術與應用,2016(07).