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文檔簡介
1、Buck 電路中的CCM和DCM降壓電路是一種基本的DC/DC變換器。隨著IPM驅(qū)動和MCU供電、LED照明驅(qū)動、繼電器和交流開關(guān)供電等小功率、直接從母線電壓供電的應(yīng)用場合越來越多,而目前的大部分DC/DC變換器輸入電壓一般在50V以內(nèi),一種高壓的降壓型斬波變換器被研究和使用得越來越廣泛??紤]到降壓電路構(gòu)成簡單、成本較低,因此這種變換器具有良好的市場前景。本文對其原理和高壓降壓電路應(yīng)用設(shè)計進行了詳細(xì)地闡述。降壓電路拓?fù)浞治鰣D1是降壓拓?fù)涞碾娐穲D。當(dāng)t=0時驅(qū)動S導(dǎo)通,電源Uin向負(fù)載供電,電感電流iL線性上升。當(dāng)t=ton時控制S關(guān)斷,二極管VD續(xù)流,電感電流呈線性下降。圖1:降壓拓?fù)潆娐穲D。
2、 根據(jù)電感電流是否連續(xù),可分為連續(xù)電流模式(CCM)、不連續(xù)電流模式(DCM)和臨界電流模式(BCM或CRM或TM)。通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且紋波小。但是小功率SMPS中為了減小噪聲以及損耗,通常選定電感電流不連續(xù)模式(DCM)。CCM和DCM下的各參數(shù)波形如圖2所示。 推薦精選圖2:CCM和DCM下主要參數(shù)波形。 1. BCM和CCM設(shè)IL為iL的平均值,iL是iL的紋波值。則在BCM和CCM模式下: 穩(wěn)態(tài)時: 又 從(3)和(4)得: 從(1)、(2)和(5
3、)得: 在CCM下, (5)取>號 在BCM下, (5)取等號, => L=R*Ts*(1-D)/22. DCM設(shè)圖2中t1處iL=0,且a=(t1-ton)/Ts=t1/Ts-D。則穩(wěn)態(tài)時 L上電壓開關(guān)周期平均值為0: C在開關(guān)周期內(nèi)電流平均值為0: iL的平均值:IL=iL*(D+a)/2<iL/2Load電流: Io=Uo/R推薦精選 根據(jù)(7)、(8)和(4)得: 0.5*(Uin-Uo)/L*D*Ts*Uin*D/Uo=Uo/R 且: K=2*L/(D2
4、*Ts*R)=2/(D2*x), x=Ts*R/L, y=Uo/Uin。圖3:各模式下Uo/Uin的比值變化圖。 降壓仿真 使用SACT軟件對降壓電路進行仿真。若輸出電壓Uo=15V、輸入電壓Uin=220V,則選取驅(qū)動脈沖P1占空比D=Uo/Uin=15/310=0.04839。選取R=75,則輸出電流Iout=15/75=0.2A。取頻率為f=100kHz,按照臨界電感電流模式(CRM)來設(shè)計,L=R*T*(1-D)/2=75*(1-0.04839)/(2*100kHz)=0.71mH。相應(yīng)的電路和波形如圖4所示。波形從上而下分為:Vdc1,Vds(SW),VR1、IL1和ID1。推薦精選
5、圖4:降壓拓?fù)潆娐贩抡鎴D。 實現(xiàn)降壓電路的控制器A635x1. A635x方框圖 STR-A635x系列是內(nèi)置功率MOSFET和控制器的Flyback型開關(guān)電源用厚膜集成電路。A635x為PRC工作方式,采用DIP-8封裝,最適于小功率電源。由于所需外接器件很少,電路設(shè)計簡?g,因此容易實現(xiàn)電源的小型化和標(biāo)準(zhǔn)化。注:PRC為Pulse Ratio Control(關(guān)斷時間一定的導(dǎo)通脈沖寬度控制)的縮寫。推薦精選圖5:A635x的方框圖。 A635x特點: 小型DIP-8絕緣封裝,適合于低背、小容量開關(guān)電源。 使用On Chip Trimming技術(shù),振蕩器內(nèi)置于控制器MIC中。 控制器內(nèi)部的比
6、較器使用了溫度補償,溫度漂移小。 電源啟動前控制器的工作電流小(50Amax)。 內(nèi)置有源低通濾波器,使電源在輕負(fù)載時能穩(wěn)定工作。 使用高耐?RMOSFET,保證MOSFET的雪崩能量: 由于保證MOSFET的雪崩能量,因此可以簡化浪涌吸收電路的設(shè)計 可免除Vdss的余量設(shè)計 內(nèi)置MOSFET的定電壓驅(qū)動電路 豐富的保護功能 過電流保護(OCP):逐個脈沖方式 過電壓保護(OVP):鎖定方式推薦精選過熱保護(TSD):鎖定方式A635x的方框圖如圖5所示。2. PRC控制定電壓控制是以固定MOSFET的OFF時間(?P15sec)、調(diào)節(jié)ON 時間的PRC工作方式進行。該工作方式為PRC方式。圖
7、6:PRC定電壓控制動作電路圖。 輸出電壓的定電壓控制是由光耦的反饋電流實現(xiàn)的。當(dāng)VR5電壓(ID的峰值)+VR4電壓(FB電流)之和達到Comp.1 反轉(zhuǎn)閾值時MOSFET關(guān)斷。故A63系列為電流控制方式。一般的,在電流控制方式下輕載時VR4的電壓較大(由于光耦的反饋量較大),MOSFET導(dǎo)通時的浪涌電流產(chǎn)生的噪聲易使Comp.1誤動作。A63系列為了防止這種現(xiàn)象,在MOSFET關(guān)斷期間使用一個A-LPF降低OCP/FB端子與GND間的阻抗。這是一個0.8mA 的定電流電路,在MOSFET導(dǎo)通前,流入OCP/FB的定電流降低反饋電流產(chǎn)生的偏置電壓,使電源能在輕載時穩(wěn)定工作。與ST的Viper
8、12相比,兩者的反饋方式和開關(guān)電流設(shè)置等特點如表1所示。表1:ST與Viper12對比表。 應(yīng)用實例推薦精選1.參數(shù)選擇電感Lp:在PWM動作模式下,電感選擇可依據(jù): 其中:Po為輸出功率,Idp為開關(guān)電流峰值,fsw為開關(guān)頻率。在PRC動作模式下,并且處于電感電流臨界模式時, 式中:R是負(fù)載電阻,T是開關(guān)周期。計算例 Uin.ac=90V時,Idp=0.236A,Po=1.5W,fsw=59.2kHz(根據(jù)5.3節(jié)動作波形)。于是,Lp(2Po)/(Idp2*fsw)=2*1.5W/(0.236) 2*59.2kHz=0.8?mH。若要計算臨界電感電流模式(BCM)下的電
9、感值,可根據(jù)(2)式:Lb=0.5*(Uo/Io)*Toff=0.5 *(15V/0.1A)*15s=1.125mH。由于現(xiàn)在采用的電感Lp=0.77mH輸入電容Cin:上式中:I是放電電流,是效率,U為輸入電壓的紋波值,t是電容向負(fù)載釋放電流的期間,T是整流周期,t由下式計算: ,其中Uinmin與Upeak分別為輸入交流Uin的最小、最大值。計算實例 Uin.ac=90V是條件最苛刻的狀態(tài),按此電壓計算,Upeak=90*1.414=127.3V,Uinmin=90*1.414*0.9=114.6V,全波整流下T=10ms。所以,t=10ms*(0.75+arcsin(114.6
10、/127.3)/2)=10ms*(0.75+0.18)=9.3 ms。取效率=0.6,推薦精選則:Cin=(1.5W*9.3ms)/(0.6*114.6*(127.3-114.6)=16.9 F。本實驗中,輸入電容的值取為22F/400V。輸出電容Cout:式中:Uo是輸出紋波電壓,D是占空比,L是輸出電感值,Ts為開關(guān)周期。計算實例 Ton=Lp*(Idp/Uin.min-Uo)=0.77mH*0.236A/(114.6-15)V=1.83s,T =Ton+Toff.max=1.83+18=19.83s 。T =19.83s,D=Ton/T=9.23%,Uo=15V*1%=0.15V,則:C
11、out=(19.83s)2*15V/(8*0.75V*0.77mH)*(1-9.83%)=5.76F。本實驗中,輸出電容的值取為10F/35V取即可滿足要求。2.應(yīng)用電路圖基于上述計算,主要參數(shù)選取為:電感為0.77mH,續(xù)流二極管為RL3A,輸出電容400V/22F,輸出電容35V/10F,OCP電阻Rocp=2.7,啟動電阻1M。反饋電路的參數(shù)為14A的穩(wěn)壓二極管和1k的電阻。A635x構(gòu)成降壓應(yīng)用電路,詳細(xì)請參考圖7。推薦精選圖7:A635x構(gòu)成降壓應(yīng)用電路。 3.實驗結(jié)果與討論1.效率:見表2。表2:典型輸入電壓下電源效率。 2.輸出靜態(tài)性能:見表3。表3:輸出靜態(tài)性能。 3. 動作波形實驗條件:Uin.ac=90V(除非特別指出),Load=15V/0.1A 。波形如圖8所示。推薦精選圖8:動作波形實驗結(jié)果分析圖。 本文小結(jié)STR-A635x構(gòu)成的降壓電路DC/DC變換器能正常工作,輸出能滿足規(guī)格要求。利用A635x中的MOSFET,構(gòu)成
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