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準(zhǔn)諧振反激,變壓器該如何設(shè)計(jì)?

發(fā)布時(shí)間:2020-02-07 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】準(zhǔn)諧振反激式變換器(Flyback Converter)由于能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開通,減少了開關(guān)損耗,降低了EMI噪聲,因此越來越受到電源設(shè)計(jì)者的關(guān)注。但是由于它是工作在變頻模式,因此導(dǎo)致諸多設(shè)計(jì)參數(shù)的不確定性。如何確定它的工作參數(shù),成為設(shè)計(jì)這種變換器的關(guān)鍵,本文給出了一種較為實(shí)用的確定方法。
 
近年來,一些著名的國際芯片供應(yīng)商陸續(xù)推出了準(zhǔn)諧振反激式變換器的控制IC,例如安森美的NCP1207、IR公司的IRIS40XX系列、飛利浦的TEA162X系列以及意法半導(dǎo)體的L6565 等。正如這些公司宣傳的那樣,在傳統(tǒng)的反激式變換器當(dāng)中加入準(zhǔn)諧振技術(shù),既可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通,從而提高了效率、減少了EMI噪聲,同時(shí)又保留了反激式變換器所固有的成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)多路輸出等優(yōu)點(diǎn)。因此,準(zhǔn)諧振反激式變換器在低功率場(chǎng)合具有廣闊的應(yīng)用前景。但是,由于這種變換器的工作頻率會(huì)隨著輸入電壓及負(fù)載的變化而變化,這就給設(shè)計(jì)工作(特別是變壓器的設(shè)計(jì))造成一些困難。本文將從工作頻率入手,詳細(xì)闡述如何確定準(zhǔn)諧振反激式變換器的幾個(gè)主要設(shè)計(jì)參數(shù):最低工作頻率、變壓器初級(jí)電感量、折射電壓、初級(jí)繞組的峰值電流等。
 
準(zhǔn)諧振反激式變換器的工作原理
 
http://me3buy.cn/art/artinfo/id/80037594
圖 1:準(zhǔn)諧振反激式變換器原理圖。
 
圖 1 是準(zhǔn)諧振反激式變換器的原理圖。其中:LP為初級(jí)繞組電感量,LLEAK為初級(jí)繞組漏感量,RP是初級(jí)繞組的電阻,CP是諧振電容。
 
由圖 1 可見,準(zhǔn)諧振反激式變換器與傳統(tǒng)的反激式變換器的原理圖基本一樣,區(qū)別在于開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)刻不一樣。圖 2 是工作在斷續(xù)模式的傳統(tǒng)反激式變換器的開關(guān)管漏源極間電壓VDS的波形圖。這里VIN是輸入電壓,VOR為次級(jí)到初級(jí)的折射電壓。
 
由圖 2 可見,當(dāng)副邊繞組中的能量釋放完畢之后(即變壓器磁通完全復(fù)位),在開關(guān)管的漏極出現(xiàn)正弦波振蕩電壓,振蕩頻率由LP、CP決定,衰減因子由RP決定。對(duì)于傳統(tǒng)的反激式變換器,其工作頻率是固定的,因此開關(guān)管再次導(dǎo)通有可能出現(xiàn)在振蕩電壓的任何位置(包括峰頂和谷底)??梢栽O(shè)想,如果控制開關(guān)管每次都是在振蕩電壓的谷底導(dǎo)通,如圖 3 所示,那么就可以實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通(或是低電壓導(dǎo)通),這必將減少開關(guān)損耗,降低EMI噪聲。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)并不困難,只要增加磁通復(fù)位檢測(cè)功能(通常是輔助繞組來實(shí)現(xiàn)),以便在檢測(cè)到振蕩電壓達(dá)到最低點(diǎn)時(shí)打開開關(guān)管,就能達(dá)到目的。這實(shí)質(zhì)上就是準(zhǔn)諧振反激式變換器的工作原理,前文提到的幾種IC均能實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。由此帶來的問題是其工作頻率是變化的,從而影響了其它設(shè)計(jì)參數(shù)的確定。
 
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圖 2:斷續(xù)模式的反激式變換器的開關(guān)管漏極電壓波形。
 
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圖 3:準(zhǔn)諧振反激式變壓器的開關(guān)管漏極電壓波形。
 
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圖 4:MOSFET 的漏源極間電壓波形。
 
設(shè)計(jì)參數(shù)的確定
 
設(shè)計(jì)反激式變換器,通常需要確定以下參數(shù):
 
IPMAX:初級(jí)繞組的最大峰值電流;
 
VINMIN:最低直流輸入電壓;
 
LP:初級(jí)繞組電感量;
 
VOR:次級(jí)到初級(jí)的折射電壓。
 
對(duì)于工作頻率fS恒定的反激式變換器,以上參數(shù)可以通過輸入輸出指標(biāo)以及選用的相關(guān)元器件等信息來確定,這個(gè)過程比較簡單。但是,對(duì)于準(zhǔn)諧振反激式變換器,上述過程就比較復(fù)雜,這是因?yàn)樵跍?zhǔn)諧振模式下,工作頻率fS是變化的,fS變化了,IPMAX和LP也就無法確定,整個(gè)設(shè)計(jì)似乎是無從下手,這正是本文所要解決的問題。
 
首先詳細(xì)分析一下準(zhǔn)諧振反激式變換器的工作周期。圖 3 是準(zhǔn)諧振反激式變換器的MOSFET的漏極電壓在一個(gè)工作周期內(nèi)的波形。由圖可見,準(zhǔn)諧振模式的工作周期由三部分組成:TON、TOFF、TW。
 
當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),初級(jí)繞組(感量為LP)有電流流動(dòng),這個(gè)電流將以斜率VIN/LP逐漸增大。當(dāng)電流達(dá)到預(yù)定的最大值IP時(shí),控制器將關(guān)斷開關(guān)管。因此,開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間TON可由等式(1)確定:
 
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開關(guān)管關(guān)閉后,存儲(chǔ)在變壓器中的能量將被傳遞到次級(jí)繞組。TOFF代表了次級(jí)繞組釋放能量的過程,其值可由等式(2)確定:
 
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其中,LS:次級(jí)繞組電感量,IPS:次級(jí)繞組峰值電流,VOUT:輸出電壓,VDS:輸出整流二極管的壓降。
 
設(shè)變壓器初次級(jí)繞組的匝比為 N,即:
 
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則存在以下關(guān)系:
 
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將(4)、(5)、(6)式代入(2)式可得:
 
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當(dāng)次級(jí)繞組中的能量釋放完畢之后,次級(jí)繞組將停止導(dǎo)通,初級(jí)繞組上的折射電壓VOR也將消失。由于初級(jí)電感量LP和開關(guān)管漏極電容CP以及電阻構(gòu)成一個(gè)RLC諧振電路,因此折射電壓將按等式(8)變化:
 
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其中,a=RP/(2*LP),是衰減因子,
 
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是諧振頻率。由此可得開關(guān)管的漏極電壓為:
 
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觀察(9)式可知,當(dāng)
 
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時(shí),VDS(t)具有最小值。解方程(10)可得:
 
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該值就是我們要求的TW,即:
 
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至此就可得出準(zhǔn)諧振反激式變換器的一個(gè)完整工作周期為:
 
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則其工作頻率:
 
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另外,對(duì)于反激式變換器還存在以下的功率傳遞等式:
 
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式中:POUT為輸出功率;η為變換器的效率。
 
對(duì)(14)式進(jìn)行整理可得:
 
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將 (15)式代入(13)式整理可得:
 
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(16)式中,PO和VIN是已知量,可由設(shè)計(jì)要求確定。效率η的經(jīng)驗(yàn)值是 0.8~0.9,對(duì)高電壓輸出取 0.85~0.9,對(duì)低電壓輸出取 0.8~0.85。這樣,對(duì)于(16)式,要想解出IP的值,還必須確定VOR、CP、fS三個(gè)未知量,下面逐一進(jìn)行分析。
 
1.VOR是次級(jí)到初級(jí)的折射電壓。在傳統(tǒng)的反激式變換器中,它的取值與開關(guān)管的漏極擊穿電壓VDSS、最大輸入直流電壓VINMAX等參數(shù)有關(guān)。在準(zhǔn)諧振模式下也是如此,稍有不同的是,在準(zhǔn)諧振模式下,為了在盡可能大的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通,VOR總是希望取得大一些,因此通常會(huì)選用 800V的MOSFET??砂?17)式確定VOR的大?。?/div>
 
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式中,ΔV為初級(jí)繞組的漏感LLEAK與開關(guān)管的漏極電容CP形成的尖峰電壓,經(jīng)驗(yàn)取值為 0.2VDSS,則(17)式變?yōu)椋?/div>
 
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2.CP是開關(guān)管漏極對(duì)地的電容,屬于諧振電容。它與初級(jí)繞組的漏感LLEAK形成第一個(gè)諧振電路,與初級(jí)繞組的電感LP形成第二個(gè)諧竦緶貳5諞桓魴癡竦緶吩誑 毓芄囟鮮輩夥宓繆梗虼司齠ㄗ趴 毓萇系淖罡叩繆梗壞詼 魴癡竦緶肪齠ㄗ徘拔奶岬降腡W。CP的確定可分兩種情況,一是開關(guān)管的漏極沒有額外增加電容,C P只包括MOSFET的漏源極間電容COSS和其它一些分布電容(注:此時(shí)電源系統(tǒng)要增加RCD箝位電路以抑制電壓尖峰)。這種情況下,CP可用COSS來近似地表示。也許有人會(huì)提出,COSS會(huì)隨MOSFET的漏源極間電壓VDS的變化而變化,這該如何確定?實(shí)際上,不必為此擔(dān)心,因?yàn)橹挥挟?dāng)VDS特別小時(shí),COSS才會(huì)有顯著的變化。如果我們?nèi)DS=25V時(shí)的COSS,則不會(huì)有什么影響(大部分公司的數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的COSS,大多是在V DS=25V的條件下測(cè)得的)。第二種情況是開關(guān)管的漏極額外增加了一個(gè)電容CD,此時(shí)CP包括CD以 及COSS等雜散電容。CP可由(19)式來確定:
 
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其中,IP:初級(jí)繞組的峰值電流,LLEAK:初級(jí)繞組的漏感。
 
整理(19)式可得:
 
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工程中常取LLEAK=0.2*LP,將其代入(20)式可得:
 
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另外,對(duì)(14)式進(jìn)行整理可得:
 
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將(22)式代入(21)式可得(23)式:
 
按照(23)式得出的Cp,在較大輸出功率(例如大于60W)的情況下,計(jì)算值可能偏大。當(dāng)然,較大的Cp值可以很好地抑制開關(guān)管漏極的尖峰電壓,但是Cp值過大,會(huì)使開關(guān)管在導(dǎo)通瞬間流過很大的尖峰電流,這個(gè)尖峰電流一方面會(huì)增加損耗,另一方面會(huì)形成EMI噪聲,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鹂刂菩酒恼`動(dòng)作,影響系統(tǒng)的正常工作。
 
在這種情況下,我們應(yīng)采取折衷的方法,減小Cp的取值(一般可取 100pF-2200pF之間的值),同時(shí)使用RCD箝位電路來抑制開關(guān)管上的尖峰電壓。這樣做既可以減少開關(guān)管漏極分布電容的離散性對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響,又可以避免產(chǎn)生過大的尖峰電流,同時(shí)對(duì)抑制開關(guān)管上的尖峰電壓也有一定的好處。
 
3、fS是系統(tǒng)的工作頻率。對(duì)于準(zhǔn)諧振模式,工作頻率是變化的,在設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)該以最小的工作頻率來確定其它相關(guān)參數(shù),因此,fS在這里亦表示系統(tǒng)最小的工作頻率。它的確定須從兩方面考慮,一方面為了采用較小尺寸的變壓器,必須提高fS;另一方面為了降低開關(guān)損耗以及減少EMI噪聲,fS應(yīng)取得小些。折衷考慮,通常取fS的范圍是 25KHz-50KHz。
 
至此,三個(gè)未知量VOR、Cp、fS都得到了確定,將它們代入(16)式,就可得出Ip,再將Ip代入(15)式,就可得出Lp,確定了這些關(guān)鍵參數(shù),下一步就可以設(shè)計(jì)變壓器、輸入回路、輸出回路、反饋電路和保護(hù)電路等,這些設(shè)計(jì)過程與傳統(tǒng)的反激式變換器的設(shè)計(jì)過程相同,這里就不再論述。
 
本文小結(jié)
 
準(zhǔn)諧振反激式變換器的設(shè)計(jì)具有其自身的特殊性,它的關(guān)鍵參數(shù)的確定不但需要理論等式的計(jì)算,還需要實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的分析假定,當(dāng)然也需要結(jié)合實(shí)際電路的波形對(duì)參數(shù)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整,只有這樣,才能充分發(fā)揮準(zhǔn)諧振反激式變換器的高效率、低 EMI、小體積以及低成本的優(yōu)勢(shì)。
 
 
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