一款大功率开关电源的完整实用电路设计与实现

摘  要：本文介绍了一款1.5kW大功率开关电源的完整实用电路设计，提出了电源总体设计电路原理框图，对各组成部分电路进行了具体的参数设计，给出了一整套完整实用的电路原理图，并对具体电路的工作原理做了详细的分析。此电路原理图设计出的开关电源具有高效率、高功率密度的特点，在公司通信产品中得到了大量的应用。

关键词：开关电源;移相控制;UC3875

中图分类号：TN492       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）23-0036-04

A Complete Practical Circuit Design and Implementation

of a High-power Switching Power Supply

CAI Huaihai

（Tongfang Electronic Technology Co.，Ltd.，Jiujiang  332001，China）

Abstract：This paper introduces the complete practical circuit design of a 1.5 kW high-power switching power supply，presents the schematic diagram of the overall design circuit of the power supply，designs the specific parameters of each component circuit，presents a complete practical circuit schematic diagram，and analyzes the working principle of the specific circuit in detail. The switching power supply designed by this circuit schematic diagram has the characteristics of high efficiency and high power density，which has been widely used in the communication products of our company.

Keywords：switching power supply;phase shift control;UC3875

0  引  言

简言之，开关电源可以通过开关器件的通断来向负载传递能量，且控制开关的通断时间来调节向负载传递能量的多少。理论上说开关器件只有通/断两个状态，是不存在功率损耗的。但实际开关器件不可能工作在理想开/关状态，其在开通和关断过程中，均存在着开关损耗，即在开关器件上同时存在电压电流。开关频率提高时表现更为明显。软开关电源，就是通过增加的一个谐振网络，使开关器件在零电压时打开，在零电流状态时关断。这样就可大大降低开关损耗，从而提高电源效率。

本文介绍一款1.5kW大功率开关电源的完整实用电路设计，该电路开关器件在开通过程中处于软开关状态，其主功率变换电路采用由UC3875組成的全桥移相变换器。

1  电源总体设计

本电源是以UC3875作为控制核心设计的一款软开关移相控制全桥变换电源（PS-ZVS-PWM），它是通过控制芯片UC3875的移相输出，控制全桥变换器的四个开关管的移相导通实现稳压。且由于谐振网络的作用，使开关管工作在软开关状态下。一个完整的开关过程可分为十二个工作过程。本电源总体电路原理框图如图1所示。

该电路按功能划分为七个部分，分别为：EMI滤波器、辅助电源、电阻软启动整流滤波、全桥变换、整流滤波、移相控制（UC3875）、过流保护。

1.1  EMI滤波器

该EMI滤波器用以抑制市电的干扰进入电源内部，同时抑制电源内部的干扰反串入市电。

1.2  辅助电源设计

辅助电源是一个15W的AC/DC电源，输出电压为+12V，用以给电阻软启动整流滤波电路、移相控制（UC38 75）电路供电。其电路原理图如图2所示。

TOP224YAJ是美国电源集成公司Power Integrations Inc（简称PI公司或Power公司）于1997年推出的第二代单片开关电源芯片，它内部包含控制电压源、带隙基准电压源、振荡器、并联调整器/误差放大器、脉宽调制器、门驱动级、高压功率开关管（MOSFET）、过流保护电路、过热保护及上电复位电路、判断/自动重启动电路和高压电流源。芯片集成度高、功能齐全、外围电路简单、工作电压范围宽（85V～265V）。

这是一款反激式脉宽调制电源。交流输入电源经整流滤波，得到高压直流电源送功率变压器T1，受N1单片开关电源芯片TOP224YAJ对其内部高压功率开关管的控制，使高压直流变为高压方波，经功率变压器耦合变压，得到低压方波交流电，再经整流滤波得到所需的+12V直流电源。电压信号经分压电阻R5、R6取样，与N3电压基准TL431ID比较，在N2光电耦合器PC817C上得到一个对应的电流信号，并送至N1开关电源芯片TOP224YAJ，该电流信号经内部误差放大器等一系列控制电路，得到一个脉宽控制信号，该脉宽信号用来控制内部高压功率开关管的导通时间，使得直流电源输出电压稳定。V1、V2组成的尖峰吸收电路用来吸收开关管截止时变压器产生的尖峰，从而保护TOP224YAJ。

1.3  电阻软启动整流滤波电路设计

为了减小电源刚接通瞬间产生的浪涌电流，采用交流输入线上串联电阻限流器件的方式，待电容充有一定电压时，用继电器去短路限流电阻。其电路原理图如图3所示。

当辅助电源送出+12V时，继电器K1、K3吸合。交流电源经限流电阻R8输送至整流滤波电路。当滤波电容C10、C11、C12、C13充电约0.5s后，比较器N4A的1脚电压由低电平转为高电平，继电器K2吸合，限流电阻被短路，这时电容已充有较高的电压，滤波电容继续充电至+300V高压直流。在电路中，充电初期由于限流电阻的作用，同时确保空载启动，就可大大降低交流端的冲击电流，提高电源器件可靠性，同时降低电源对电网的冲击。

1.4  全桥变换电路与整流滤波电路设计

全桥变换电路主要实现从高压直流到高压交流的转换，并经功率变压器耦合传递给负载端，全桥电路中增加了LC谐振网络，使开关管工作时实现零电压开启;整流滤波电路主要用于将功率变压器耦合降压得到的交流电源，经整流滤波得到所需要的直流电源。其电路原理图如图4所示。

当开关管2V1、2V4导通时，2V2、2V3截止，电流经2V1、2T1、2T6、2L1、2C18、2V4到达高压电源负端;而开关管2V2、2V3导通时，2V1、2V4截止，电流经2V3、2C18、2L1、2T6、2T1、2V2到达高压电源负端。这样一来流经功率变压器2T1的就是一高压交流电源，经功率变压器耦合变压，得到一低压交流电，再经由二极管2U1、2U2、电感2L2和电容2C23组成的全波整流滤波电路得到所需的+48V直流电源。

1.5  移相控制（UC3875）与过流保护电路设计

移相控制（UC3875）电路主要对上述全桥变换电路中四个开关管进行移相控制，通过调节其移相角来实现电源稳压，并配合过电流检测电路来实现电源的过流保护。其电路原理图如图5所示。

参见图5，输出+48V电压经2R1、2R7、2R6取样，送至UC3875的内部误差放大器的反相输入端，与该比较器的同相端所接的基准电压进行比较，得到误差信号，经内部移相控制器处理，然后自A/B、C/D端输出一个相应相位移动的方波信号，经驱动2N2、2N3和隔离变压器2T2、2T3、2T4、2T5送开关管2V1、2V2、2V3、2V4（见图4）。开关管受该PWM信号控制，使输出稳定在所设定的值。

电路设有两级过流保护：第一级保护，电流取样线圈2T6取得功率变压器2T1的初级绕组电流信号（交流），当由于某种原因，使得功率变压器中的电流增大超过预定值时，三极管2V13导通，拉低UC3875的6脚电平实施保护。这种保护使得输出电压降低，实现恒功率保护。第二级保护在整流滤波输出端电路中，负载电流信号（直流）送至运放2N4A放大，放大后信号再送至比较器2N4B的同相输入端，与其反相输入端的基准电压比较，当负载电流超过预定值时，比较2N4B输出端反转为高电平，送至UC3875的5脚，UC3875检测到该高电平时，立即控制關断输出，使得电源停止工作，直到排除负载故障重新上电，电源再次正常工作。

2  结  论

本文详细介绍了一款1.5kW大功率开关电源的实用电路设计与实现方案，给出了标有具体参数的电路原理图，并对电路的工作原理做了具体的分析。该电源方案所设计出的开关电源具有高效率、高功率密度的特点，在公司通信产品中得到了大量的应用。

参考文献：

[1] 沙占友.特种集成电源最新应用技术 [M].北京：人民邮电出版社，2000.

[2] 刘胜利，李龙文.高频开关电源新技术应用 [M].北京：中国电力出版社，2008.

作者简介：蔡怀海（1986-），男，汉族，安徽宿松人，电源设计师，助理工程师，学士学位，主要研究方向：电源设计。