一种硬开关全桥输出带预偏电压启动的方案

谭 果

（贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 550025）

0 引 言

一般情况下，DC／DC电源模块是在输出端没有电压且带负载的情形下启动。但是有时候，电源模块在启动之前输出电压并不是零电压。一种比较常见的情况是，DC／DC电源模块的输出端接了比较大的解耦电容，而放电电阻的阻值不够小，这时候输出电容的放电时间常数就会比较大。当电源模块突然断电，在输出电容放电完成之前又重新启动，那么电源模块的输出端就会存在一个预偏电压。另一种比较常见的情况是，当两个或者多个电源模块并联给同一个负载电路供电时，有时候会很难做到多个模块同时启动，可能会有的模块先启动，有的模块后启动，这样就会造成后启动的模块会在一定输出电压的情形下启动，即预偏置电压启动。如果电源模块没有这一功能，就有可能导致输出电压不是单调上升，严重时还有可能会出现重启或者损坏同步整流管的现象。所以直流变换器有必要添加预偏置启动的功能。现有的许多启动方案存在成本高，电路复杂，效率不高的缺点，对预偏置启动的方案进行深入研究是完全必要的。

本文首先分析了硬开关全桥变换器在输出有偏置电压不能正常启动的原因，然后提出了一种简单、性能优越的实现方案，并在硬开关全桥电源模块上进行了理论分析和实验验证。

1 硬开关全桥变换器的预偏置启动分析

现在大多数高性能低压变换器和稳压器都使用了同步整流技术（功率MOSFETs来代替二极管）。与二极管相比，功率MOSFET的导通压降比二极管的导通压降小，并且可精确地控制其导通时间，这些特性极大提高了电源模块的效率和功率密度。同步整流技术被广泛认为可以实现高效率的需求。下面以图1为例，分析硬开关全桥拓扑带预偏电压不能正常启机的原因。

当原边QT1与QB1导通时，副边同步整流管Q4导通，Q1关断。此时，能量的传递方向是从输入到输出，变压器将能量传递给输出，同时输出电感也会储存一部分能量。当QT1与QB1关断，QT2与QB2打开之前，Q1与Q4导通，这时电感上的能量通过同步整流管传递给输出。由于MOSFET是双向导通的，在特定的条件下，电流会通过MOSFET反灌至变换器，这样能量就从输出向输入传递。例如，如果变换器稳态工作时突然关机，然后很快又开机，那么输出电容上储存的能量和电压会比变换器刚开始的几个开关周期要大。如果同步整流工作在这种情况下，电容上面的电压和能量就会通过Q1和Q4向输出电感充电，输出的能量就会反灌回变换器。一般情况下，为了使输出电压缓慢增大，变换器在启动到稳态工作时，都会有一软启动过程。在这个过程中，原边驱动从小变大，副边与原边驱动互补，由大变小。由此不难得出当副边MOSFET长时间在预偏电压的情形下导通时，就会导致:（1）输出的预偏置电压降低，即输出电容被放电，使得输出启动波形不单调；（2）流过同步管的反向电流非常大，而增大了同步管的损耗，严重时会损坏同步管；（3）使电感或变压器饱和，直至损坏开关管［1］。

图1 硬开关全桥变换器原理图

早期的电源模块中，都没有预偏置启动这一功能。但是随着对电源的要求越来越高，许多服务器生产商，如HP、DELL、HUAWEI等都明确提出带预偏置启动是必需也是很重要的功能。IC供应商也针对这个需求，推出了很多具有这个功能的芯片，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］。目前解决预偏置启动有以下两类方法:一类是在启机过程中，原边与副边的占空比都是由小变大慢慢展开，直至软启动完成后，原副边才互补。这种方法实现起来简单，但是如果副边MOSFET展开速率不合适，会造成输出电压有过冲，或在预偏电压处有跌坑。另一类就是在模块的输出端加一开关管（如图2所示），通过检测开关管的压降来判断是否打开开关管。这种方法使各个模块的一致性比较好，但是，由于加了检测电路，成本提高，降低了产品的竞争力。

图2 输出加开关管的启动方式

鉴于传统方案的不足，提出一种成本低、性能好的方案，使得输出电压能在预偏电压处单调上升，并且输出不会有跌坑和过冲的现象已成为大势所趋。

2 新方案的分析

本方案选用德州仪器 （Texas Instruments）生产的数字控制器UCD3138作为主控制芯片。该控制器在一个单一芯片解决方案内提供高集成度和出色性能。其核心为数字控制环路外设，也被称为数字电源外设。每个DPP执行一个高速数字控制环路，此环路由一个专用误差模数转换器 （EADC）、一个基于2极 －2零数字补偿器的PID和具有250ps脉宽分辨率的DPWM输出组成［3］。这为隔离电源控制提供了极大便利。本方案主要是采用调节参考电压和环路初始值的方法，从而使输出能在预偏电压的基础上单调上升。下面具体分析如何在UCD3138电压型控制的基础上实现预偏置启机。

2.1 预偏置启动分析

如图3所示，ADC检测到的输出电压与参考值相减得到误差值，该误差值作为PID环路输入，环路会计算出一个特定的占空比，来调节输出电压。

图3 数字环路控制框图

在电源启动之前，控制器会对输入输出电压检测。当开机条件满足后，此时如果输出没有预偏电压，那么参考电压的初始值和环路的初始值均赋为零，启动电源，并且缓慢增加参考值直到目标的参考电压，这样环路的输出缓慢增大，从而控制原边开关管的驱动缓慢展开，输出电压则会从零开始慢慢上升。

如果AD检测到输出不是从零开始，这时就需要预偏置启动功能。在Buck正激变换器中，输出电压等于开关管的占空比乘以输入电压。为了使模块能在预偏电压处启动，最简单的方法就是让PWM输出一个确定的占空比，以保证模块输出电压不比预偏电压低。在该方案中，将检测到的输入输出电压，换算成一个确定的占空比数据，然后将该值作为环路的积分环节的初始值。到目前为止仅仅保证刚开始输出电压为预偏电压，为了使电源的输出电压在预偏电压处单调上升，则还需将参考电压设置为与预偏电压相对应的值，然后在该值处缓慢增加参考电压。整个启动过程中，原边开关管与同步整流管的驱动互补，这样不需要经过肖特基整流，可以提高开机效率。整个软启过程是通过增加参考值的方法来增大输出电压，并且都是闭环控制，没有从开环到闭环的切换，环路的输出始终控制DPWM的占空比，所以在有预偏电压的情况下，只要初始值正确，输出电压就不会出现过冲和跌坑。

2.2 系统软件预偏置启动流程

系统软件分为状态机和背景程序。状态机是整个系统的核心部分，该部分程序在标准中断中执行。在电源模块启动之前，每次中断都会判断是否满足开机条件，当开机条件满足时，则会进入预偏置启动的状态。图4是预偏置启动的具体流程图。

图4 预偏置启动的流程

3 实验验证

为了验证上述理论分析的正确性，本实验在图1硬开关全桥拓扑进行实验验证。具体实验参数:输入48V，输出12V，输出功率360W，预偏电压10.8V（最大输出电压90%处）和6V（最大输出电压50%）。由图5和图6可知，在10.8V和6V处，实验波形理想，输出在预偏电压处既没有跌坑，也不会有过冲，模块也不会损坏。

4 结 论

图5 6 V（50%Uout）预偏置启动

图6 10.8 V（90%Uout）预偏置启动

本文提出并验证了一种新的解决输出带预偏电压的方案，其核心是在电源启动前对参考和环路设置成与输出电压相对应的值，并在该值的基础上单调上升。实验证明，该方案无需增加任何器件成本，实现简单可靠。

［1］熊代富，吴国忠.隔离变换器输出带预偏置电压启动的研究［J］.电力电子技术，2007，（4）:31－33.

［2］熊代富，吴国忠.隔离DC／DC开关电源输出带预偏置电压启动的研究［D］.浙江:浙江大学，2006.

［3］Texas Instruments.Highly Integrated Digital Controller for Isolated Power，TI，UCD3138Data Manual［Z］.2012.