安森美案例：雙開關(guān)正激轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用設(shè)計

1、安森美案例：雙開關(guān)正激轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用設(shè)計單開關(guān)(或稱單晶體管)正激轉(zhuǎn)換器是一種最基本類型的基于的隔離降壓轉(zhuǎn)換器，廣泛用于需要大降壓比的應(yīng)用。這種轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點包括只需單顆接地參考晶體管，及非脈沖輸出減小輸出的均方根紋波電流含量等。但這種轉(zhuǎn)換器的功率能力小于半橋或全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且變壓器需要磁芯復(fù)位，使這種轉(zhuǎn)換器的最大占空比限制在約50%。此外，金屬氧化物()開關(guān)的漏變幻達(dá)輸入電壓的兩倍或更多，使這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較難于用在較高輸入電壓的應(yīng)用。正激轉(zhuǎn)換器中，變壓器的磁芯單方向磁化，在每個開關(guān)周期都需要采納相應(yīng)的措施來使磁芯復(fù)位到初始值，否則勵磁電流會在每個開關(guān)周期增大，經(jīng)受幾個周期后會使磁芯飽和，損壞開關(guān)

2、器件。相對而言，假如有磁芯復(fù)位，電流就不會在每個開關(guān)周期增大，電壓會基于勵磁(lmag)反相并使磁芯復(fù)位。圖1以單開關(guān)正激轉(zhuǎn)換器為例，簡要對照了無磁芯復(fù)位與有磁芯復(fù)位的及勵磁電感電流波形。有3種頻繁的標(biāo)準(zhǔn)磁芯復(fù)位技術(shù)，分離是三次繞組，、電容、(rcd)鉗位和雙開關(guān)正激。三次繞組磁芯復(fù)位技術(shù)的暗示圖參見圖1b)，這種技術(shù)能夠提供大于50%的占空比，但開關(guān)q1的峰值電壓可能大于輸入電壓的2倍，而且變壓器有三次繞組，使變壓器結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。rcd鉗位磁芯復(fù)位技術(shù)也能使占空比大于50%，但需要寫等式和，以檢驗復(fù)位的正確性，讓設(shè)計過程更復(fù)雜。rcd鉗位技術(shù)的成本比三次繞組技術(shù)低，但因為復(fù)位電路中的鉗位電阻消

3、耗能量，影響了電源轉(zhuǎn)換效率。圖1：正激轉(zhuǎn)換器不帶磁芯復(fù)位與帶磁芯復(fù)位之對照。與前兩種磁芯復(fù)位技術(shù)相比，雙開關(guān)正激更易于實現(xiàn)，而且開關(guān)q1上的峰值電壓等于輸入電壓，降低了開關(guān)所承受的電壓應(yīng)力。這種技術(shù)需要額外的mosfet (q2)和高端驅(qū)動器，且需要2個高壓低功率二極管(d3和d4)，參見圖2。雙開關(guān)正激技術(shù)的每個開關(guān)周期包含3步：第1步，開關(guān)q1、q2及二極管d1導(dǎo)通，二極管d2、d3及d4關(guān)閉；第2步，開關(guān)q1、q2及二極管d1關(guān)閉，而二極管d2、d3及d4導(dǎo)通；第3步，開關(guān)q1、q2及二極管d1仍然關(guān)閉，二極管d2仍然導(dǎo)通，而二極管d3及d4則關(guān)閉。圖2：雙開關(guān)正激轉(zhuǎn)換器電路原理圖。固然

4、，采納這種技術(shù)后，轉(zhuǎn)換器就成了雙開關(guān)正激轉(zhuǎn)換器，它不同于單開關(guān)正激轉(zhuǎn)換器，不需要特別的復(fù)位電路就可以保證牢靠的變壓器磁芯復(fù)位，牢靠性高，適合更高功率等級。ncp1252雙開關(guān)正激轉(zhuǎn)換器演示板規(guī)格概覽ncp1252是安森美半導(dǎo)體新推出的一款改進(jìn)型雙開關(guān)正激轉(zhuǎn)換器，適合于計算機atx電源、溝通適配器、uc38xx替代及其它任何要求低待機能耗的應(yīng)用，相關(guān)能效測試結(jié)果將在后文提及。這器件也是一種固定頻率控制器，帶跳周期模式，能夠提供真正的空載工作。此外，ncp1252具有可調(diào)整開關(guān)頻率，增加設(shè)計靈便性；還帶有閂鎖過流庇護(hù)功能，能夠承受臨時的過載。其它特性還包括可調(diào)整軟啟動時長、內(nèi)部斜坡補償、自復(fù)原輸入

5、欠壓檢測等。ncp1252與市場上不含輸入欠壓檢測 、軟啟動及過載檢測的uc384x系列器件相比，提供這系列器件所不包含的這些功能(額外實現(xiàn)成本為0.07美元)，降低成本并提升牢靠性。安森美半導(dǎo)體基于ncp1252構(gòu)建的演示板規(guī)格包括：輸入電壓范圍：350至410 vdc；輸出電壓：12 vdc，精度±5%；額定輸出功率：96 w (8 a)；最大輸出功率：120 w (每分鐘持續(xù)5秒)；最小輸出功率：真正空載(無假負(fù)載)；輸出紋波：50 mv峰值至峰值；最大瞬態(tài)負(fù)載階躍：最大負(fù)載的50%；最大輸出壓降：250 mv (5 s內(nèi)從輸出電流=50%到滿載(5 a到10 a)。ncp12

6、52應(yīng)用設(shè)計：功率元件計算1) 變壓器匝數(shù)比、占空比及勵磁電感首先計算變壓器在延續(xù)導(dǎo)電模式(ccm)下的匝數(shù)比n。按照等式(1)可以推導(dǎo)出等式(2)：(1)(2)其中，vout是輸出電壓，是目標(biāo)能效，vbulk min是最小輸入電壓(即350 vdc)，dcmax是ncp1252的最大占空比，n是變壓器匝數(shù)比。相應(yīng)我們也可以驗證出高輸入線路電壓(410 vdc)時最小占空比，見等式(3)：(3)為了恰當(dāng)?shù)卮判緩?fù)位，需要微小的勵磁電流來對繞組電壓反相。按照閱歷法則，勵磁電流為初次峰值電流(ip_pk)的10%。其中，ip_pk取值0.94，這數(shù)值的計算過程參見后文。變壓器勵磁電感的計算見等式(4

7、)：(4)2) lc輸出首先挑選交越頻率(fc)。因開關(guān)噪聲緣故，fc大于10 khz時要求無噪聲布線，難于設(shè)計。故不推舉在較高的頻率交越，挺直選定fc為10 khz。假如我們假定由fc、輸出電容(cout)及最大階躍負(fù)載電流(iout)確定出iout 時的最大壓降(vout)為250 mv，我們就能寫出下述等式：(5)(6)我們挑選的是2顆松下fm系列的1,000 f16 v電容。從電容規(guī)范中解析出：ic,rms=5.36 a ta=+105 resr,low = 8.5 mw ta = +20 resr,high = 28.5 mw ta = -10 接下來，以diout = 5 a 來計

8、算dvout ，見等式(7)：(7)這里有一個閱歷法則，就是挑選等式(6)計算出來的值一半的等效串聯(lián)電阻(esr)電容：resr,max = 22 mw 0 。這個規(guī)章考慮到了電容工藝變幻，以及留出一些電源在極低環(huán)境溫度條件下啟動工作時的裕量。最大峰值到峰值電流(il)的計算見等式(8)：(8)要獵取輸出電感值，我們能夠?qū)懗鲫P(guān)閉時光期間的降壓紋波電流等式：(9)對等式(9)舉行轉(zhuǎn)換，就可以得到等式(10)，終于我們挑選27 h的標(biāo)準(zhǔn)值。(10)輸出電容的均方根電流(icout,rms)計算見等式(11)：(11)其中，額定電感時光常數(shù)()的計算見等式(12)：(12)3) 變壓器電流經(jīng)過一系列

9、計算(具體計算過程參見參考資料3)，可以得到：次級峰值電流(il_pk)為11.13 a，次級谷底電流(il_valley)為8.86 a，初級峰值電流(ip_pk)為0.95 a，初級谷底電流(ip_valley)為0.75 a，初級均方根電流(ip,rms)為0.63 a。4) mosfet因為ncp1252是雙開關(guān)正激轉(zhuǎn)換器，故作為開關(guān)的功率mosfet的最大電壓限制為輸入電壓。通常漏極至源極擊穿電壓(bvdss)施加了等于15%的降額因數(shù)，假如我們挑選500 v的功率mosfet，降額后的最大電壓應(yīng)當(dāng)是：500 v x 0.85 = 425 v。我們挑選的功率mosfet是采納to22

10、0封裝的fdp16n50，其bvdss為500 v，導(dǎo)通阻抗(rds(on)為0.434 (tj=110)，總門電荷(qg)為45 nc，門極至漏極電荷(qgd)為14 nc。mosfet的導(dǎo)電損耗、開關(guān)導(dǎo)通損耗計算見等式(13)到(14)：(13)(14)其中，交迭時光(t)由下列等式計算得出：(15)mosfet的開關(guān)關(guān)閉損耗見等式(16)：(16)其中，交迭時光(t)由下列等式計算得出：(17)因此，mosfet的總損耗為：plosses=pcond+psw,on+psw,off=173+149+324=646 mw (18)5) 二極管次極二極管d1和d2維持相同的峰值反相電壓(piv

11、)，結(jié)合二極管降額因數(shù)(kd)為40%，可以計算出piv，見等式(19)：(19)因為piv100 v，故能夠挑選30 a、60 v、to-220封裝的肖特基二極管mbrb30h60ct。二極管導(dǎo)通時光期間的導(dǎo)電損耗為：pcond,forward=ioutvfdcmax=10x0.5x0.45=2.25 w (20)關(guān)閉時光期間的導(dǎo)電損耗為：pcond,freewheel=ioutvf(1-dcmin)=10x0.5x(1-0.39) =3.05 w (21)ncp1252應(yīng)用設(shè)計：ncp1252元件計算1) 用于挑選開關(guān)頻率的電阻rt采納一顆容易電阻，即可在50至500 khz范圍之間挑選開

12、關(guān)頻率(fsw)。假定開關(guān)頻率為125 khz，那么我們就可以得到：(22)其中，vrt是rt引腳上展現(xiàn)的內(nèi)部電壓參考(2.2 v)。2) 感測電阻ncp1252的最大峰值電流感測電壓達(dá)1 v。感測電阻(rsense)以初級峰值電流的20%余量來計算，其中10%為勵磁電流，10%為總公差：(23)(24)3) 斜坡補償斜坡補償旨在防止頻率為開關(guān)頻率一半時浮現(xiàn)次斜坡振蕩，這時轉(zhuǎn)換器工作在ccm，占空比臨近或高于50%。因為是正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，重要的是考慮由勵磁電廠所致的自然補償。按照所要求的斜坡補償(通常為50%至100%)，僅能夠外部增強斜坡補償與自然補償之間的差值。目標(biāo)斜坡補償?shù)燃墳?00%。相

13、關(guān)計算等式如下：內(nèi)部斜坡：(25)初級自然斜坡：(26)次級向下斜坡：(27)自然斜坡補償：(28)因為自然斜坡補償?shù)陀?00%的目標(biāo)斜坡補償，我們需要計算約33%的補償：(29)(30)因為rcompccs網(wǎng)絡(luò)濾波需要約220 ns的時光常數(shù)，故：(31)4) 輸入欠壓電阻輸入欠壓(bo)引腳電壓低于vbo參考時銜接ibo電流源，從而產(chǎn)生bo磁滯。(32)(33)ncp1252演示板及性能概覽ncp1252演示板的具體電路圖參見參考資料2,其頂視圖和底視圖則見圖3。圖3：ncp1252演示板的頂視圖及底視圖。在室溫及額定輸入電壓(390 vdc)條件下，ncp1252演示板不同負(fù)載等級時的能效4所示。從今圖可以看出，負(fù)載高于40%最大負(fù)載時，工作能效高于90%。這演示板還能藉在轉(zhuǎn)換器次級端同步整流，進(jìn)一步提升能效達(dá)幾個百分點。圖4：ncp1252演示板在室溫及額定輸入電壓(390 vdc)條件下的能效圖。如前所述，ncp1252提供軟啟動功能，其中一個目標(biāo)應(yīng)用就是替代uc38xx。ncp1252有一個專用引腳，支持調(diào)整軟啟動持續(xù)時光及控制啟動期間的峰值。另外，ncp1252的待機能耗性能也很突出。這器件能藉將輸入欠壓(bo)引腳接地來關(guān)閉，而關(guān)閉時vcc輸入端汲入的電流小于100 a?？偨Y(jié)：本文介紹了正激轉(zhuǎn)換器