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

雙開關(guān)正激變換器及其應(yīng)用設(shè)計單開關(guān)(或稱單晶體管)正激變換器是一種最基本種類的基于變壓器的隔斷降壓變換器，廣泛用于需要大降壓比的應(yīng)用。這種變換器的優(yōu)點包括只需單顆接地參照晶體管，及非脈沖輸出電流減小輸出電容的均方根紋波電流含量等。但這種變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，使這種變換器的最大占空比限制在約50%。其他，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)開關(guān)的漏電壓變化達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。正激變換器中，變壓器的磁芯單方向磁化，在每個開關(guān)周期都需要采用相應(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)歷幾個周期后會使磁芯飽和，損壞開關(guān)器件。相對而言，若是有磁芯復(fù)位，電流就不會在每個開關(guān)周期增大，電壓會基于勵磁電感(Lmag)反相并使磁芯復(fù)位。圖1以單開關(guān)正激變換器為例，簡要比較了無磁芯復(fù)位與有磁芯復(fù)位的電路圖及勵磁電感電流波形。有3種常有的標(biāo)準(zhǔn)磁芯復(fù)位技術(shù)，分別是三次繞組，電阻、電容、二極管(RCD)鉗位和雙開關(guān)正激。三次繞組磁芯復(fù)位技術(shù)的電路表示圖拜會圖1b)，這種技術(shù)能夠供應(yīng)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%，但需要寫等式和仿真，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，但由于復(fù)位電路中的鉗位電阻耗資能量，影響了電源變換效率。圖1：正激變換器不帶磁芯復(fù)位與帶磁芯復(fù)位之比較。與前兩種磁芯復(fù)位技術(shù)對照，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)，拜會圖2。雙開關(guān)正激技術(shù)的每個開關(guān)周期包括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依舊關(guān)閉，二極管D2依舊導(dǎo)通，而二極管D3及D4則關(guān)閉。圖2：雙開關(guān)正激變換器電路原理圖。自然，采用這種技術(shù)后，變換器就成了雙開關(guān)正激變換器，它不相同于單開關(guān)正激變換器，不需要特其他復(fù)位電路就可以保證可靠的變壓器磁芯復(fù)位，可靠性高，適合更高功率等級。NCP1252雙開關(guān)正激變換器演示板規(guī)格概覽NCP1252是安森美半導(dǎo)體新推出的一款改進型雙開關(guān)正激變換器，適合于計算機ATX電源、交流適配器、UC38XX取代及其他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，能夠供應(yīng)真切的空載工作。其他，NCP1252擁有可調(diào)治開關(guān)頻率，增強設(shè)計靈便性；還帶有閂鎖過流保護功能，能夠承受暫時的過載。其他特點還包括可調(diào)治軟啟動時長、內(nèi)部斜坡補償、自恢復(fù)輸入欠壓檢測等。NCP1252與市場上不含輸入欠壓檢測、軟啟動及過載檢測的UC384x系列器件對照，供應(yīng)這系列器件所不包括的這些功能(額外實現(xiàn)成本為0.07美元)，降低成本并提升可靠性。安森美半導(dǎo)體基于NCP1252成立的演示板規(guī)格包括：輸入電壓范圍：350至410Vdc；輸出電壓：12Vdc，精度±5%；額定輸出功率：96W(8A)；最大輸出功率：120W(每分鐘連續(xù)5秒)；最小輸出功率：真切空載(無假負(fù)載)；輸出紋波：50mV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：250mV(5μs內(nèi)從輸出電流=50%到滿載(5A到10A))。NCP1252應(yīng)用設(shè)計：功率元件計算變壓器匝數(shù)比、占空比及勵磁電感第一計算變壓器在連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)下的匝數(shù)比N。依照等式(1)能夠推導(dǎo)出等式(2)：(1)(2)其中，Vout是輸出電壓，η是目標(biāo)能效，Vbulkmin是最小輸入電壓(即35Vdc)，DCmax是NCP1252的最大占空比，N是變壓器匝數(shù)比。相應(yīng)我們也能夠考據(jù)出高輸入線路電壓(410Vdc)時最小占空比，見等式(3)：(3)為了適合地磁芯復(fù)位，需要極小的勵磁電流來對繞組電壓反相。依照經(jīng)驗法則，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)值的計算過程拜會后文。變壓器勵磁電感的計算見等式(4)：(4)LC輸出濾波器第一選擇交越頻率(fC)。因開關(guān)噪聲緣故，fC大于10kHz時要求無噪聲布線，難于設(shè)計。故不介紹在較高的頻率交越，直接選定fC為10kHz。若是我們假定由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250mV，我們就能寫出下述等式：(5)(6)我們選擇的是2顆松下FM系列的1,000μF@16V電容。從電容規(guī)范中解析出：Ic,rms=5.36A@TA=+105℃RESR,low=8.5mW@TA=+20℃RESR,high=28.5mW@TA=-10℃接下來，以DIout=5A來計算DVout，見等式(7)：(7)這里有一個經(jīng)驗法規(guī)，就是選擇等式(6)計算出來的值一半的等效串通電阻(ESR)電容：RESR,max=22mW@0℃。這個規(guī)則考慮到了電容工藝變化，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)要獲取輸出電感值，我們能夠?qū)懗鲫P(guān)閉時間時期的降壓紋波電流等式：(9)同等式(9)進行變換，就可以獲取等式(10)，最后我們選擇27μH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，額定電感時間常數(shù)(τ)的計算見等式(12)：(12)變壓器電流經(jīng)過一系列計算(詳細(xì)計算過程拜會參照資料3)，能夠獲?。捍渭壏逯惦娏?IL_pk)為11.13A，次級谷底電流(IL_valley)為8.86A，初級峰值電流(Ip_pk)為0.A，初級谷底電流(Ip_valley)為0.75A，初級均方根電流(Ip,rms)為0.63A。MOSFET由于NCP1252是雙開關(guān)正激變換器，故作為開關(guān)的功率MOSFET的最大電壓限制為輸入電壓。平時漏極至源極擊穿電壓(BVDSS)施加了等于15%的降額因數(shù)，若是我們選擇500V的功率MOSFET，降額后的最大電壓應(yīng)該是：500V0.85=425V。我們選擇的功率MOSFET是采用TO220封裝的FDP16N50，其BVDSS為500V，導(dǎo)通阻抗(RDS(on))為0.434Ω(@Tj=110℃)，總門電荷(QG)為45nC，門極至漏極電荷(QGD)為14nC。MOSFET的導(dǎo)電耗費、開關(guān)導(dǎo)通耗費計算見等式(13)到(14)：(13)(14)其中，交迭時間(由t)以低等式計算得出：(15)MOSFET的開關(guān)關(guān)閉耗費見等式(16)：(16)其中，交迭時間(由t)以低等式計算得出：(17)因此，MOSFET的總耗費為：Plosses=Pcond+PSW,on+PSW,off=173+149+324=646mW(18)二極管次極二極管D1和D2保持相同的峰值反相電壓(PIV)，結(jié)合二極管降額因數(shù)(kD)為40%，能夠計算出PIV，見等式(19)：(19)由于PIV<100V，故能夠選擇30A、60V、TO-220封裝的肖特基二極管MBRB30H60CT。二極管導(dǎo)通時間時期的導(dǎo)電耗費為：Pcond,forward=IoutVfDCmax=10x0.5x0.45=2.25W(20)關(guān)閉時間時期的導(dǎo)電耗費為：Pcond,freewheel=IoutVf(1-DCmin)=10x0.5x(1-0.39)=3.05W(21)NCP1252應(yīng)用設(shè)計：NCP1252元件計算用于選擇開關(guān)頻率的電阻Rt采用一顆簡單電阻，即可在50至500kHz范圍之間選擇開關(guān)頻率(FSW)。假定開關(guān)頻率為125kHz，那么我們就可以獲?。?22)其中，VRt是Rt引腳上表現(xiàn)的內(nèi)部電壓參照(2.2V)。感測電阻NCP1252的最大峰值電流感測電壓達1V。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)斜坡補償斜坡補償旨在防范頻率為開關(guān)頻率一半時出現(xiàn)次斜坡振蕩，這時變換器工作在CCM，占空比湊近或高于50%。由于是正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，重要的是考慮由勵磁電廠所致的自然補償。依照所要求的斜坡補償(平時為50%至100%)，僅能夠外部增加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%。相關(guān)計算等式以下：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)由于自然斜坡補償?shù)陀?00%的目標(biāo)斜坡補償，我們需要計算約33%的補償：(29)(30)由于RcompCCS網(wǎng)絡(luò)濾波需要約220ns的時間常數(shù)，故：(31)輸入欠壓電阻輸入欠壓(BO)引腳電壓低于VBO參照時連接IBO電流源，從而產(chǎn)生BO磁滯。(32)(33)NCP1252演示板圖片及性能概覽NCP1252演示板的詳細(xì)電路圖拜會參照資料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(390Vdc)條件下，NCP1252演示板不相同負(fù)載等級時的能效如圖4所示。今后圖能夠看出，負(fù)載高于40%最大負(fù)載時，工作能效高于90%。這演示板還能夠藉在變換器次級端同步整流，進一步提升能效達幾個百分點。4：NCP1252演示板在室溫及額定輸入電壓(390Vdc)條件下的能效圖。如前所述，NCP1252供應(yīng)軟啟動功能，其中一個目標(biāo)應(yīng)用就是取代UC38xx。NCP1252有一個專用引腳，支持調(diào)治軟啟動連續(xù)時間及控制啟動時期的峰值。其他，NCP1252的待機能耗性能也很突出。這器件能藉將輸入欠壓腳接地來關(guān)閉，而關(guān)閉時VCC輸入端汲入的電流小于100μA。

(BO)引總結(jié)：本文介紹了正激變換器磁芯復(fù)位技術(shù)的原理，比較了三次繞組、RCD鉗位及雙開關(guān)正激等常有的磁芯復(fù)位技術(shù)，解析了雙開關(guān)正激變換器的優(yōu)勢，并結(jié)合安森美半導(dǎo)體基于雙開關(guān)正激磁芯復(fù)位技術(shù)的NCP1252固定頻率控制器，分享了這雙開關(guān)正激變換器的應(yīng)用設(shè)計過程。這器件集成了輸入欠壓檢測、軟啟動及過載檢測等眾多特點。測試結(jié)果顯示，NCP1252供應(yīng)極高的工作能效和極低的待機能耗，適合UC38xx取代、ATX電源、適配器及其他任何要求低待機能耗的應(yīng)用。內(nèi)容總結(jié)

（1）雙開關(guān)正激變換器及其應(yīng)用設(shè)計

單開關(guān)(或稱單晶體管)正激變換器是一種最基本種類的基于變壓器的隔斷

降壓變換器，廣泛用于需要大降壓比的應(yīng)用

（2）這種變換器的優(yōu)點包括只需單顆接

地參照晶體管，及非脈沖輸出電流減小輸出電容的均方根紋波電流含量等

（3）有3種常有的標(biāo)準(zhǔn)磁芯復(fù)位技術(shù)，分別是三次繞組，