雙開關(guān)正激轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用設(shè)計(jì)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(jì)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(diǎn)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(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)開關(guān)的漏電壓變化達(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。正激變換器中，變壓器的磁芯單方向磁化，在每個(gè)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(lì)磁電流會(huì)在每個(gè)開關(guān)周期增大，經(jīng)歷幾個(gè)周期后會(huì)使磁芯飽和，損壞開關(guān)器件。相對(duì)而言，若是有磁芯復(fù)位，電流就不會(huì)在每個(gè)開關(guān)周期增大，電壓會(huì)基于勵(lì)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(jiǎn)要比較了無(wú)磁芯復(fù)位與有磁芯復(fù)位的電路圖及勵(lì)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(huì)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(yàn)復(fù)位的正確性，讓設(shè)計(jì)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(duì)照，雙開關(guān)正激更易于實(shí)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(dòng)器，且需要2個(gè)高壓低功率二極管(D3和D4)，拜會(huì)圖2。雙開關(guān)正激技術(shù)的每個(gè)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(jí)。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(jìn)型雙開關(guān)正激變換器，適合于計(jì)算機(jī)ATX電源、交流適配器、UC38XX取代及其他任何要求低待機(jī)能耗的應(yīng)用，相關(guān)能效測(cè)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(qiáng)設(shè)計(jì)靈便性；還帶有閂鎖過流保護(hù)功能，能夠承受暫時(shí)的過載。其他特點(diǎn)還包括可調(diào)治軟啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)、內(nèi)部斜坡補(bǔ)償、自恢復(fù)輸入欠壓檢測(cè)等。NCP1252與市場(chǎng)上不含輸入欠壓檢測(cè)、軟啟動(dòng)及過載檢測(cè)的UC384x系列器件對(duì)照，供應(yīng)這系列器件所不包括的這些功能(額外實(shí)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(wú)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(jì)：功率元件計(jì)算變壓器匝數(shù)比、占空比及勵(lì)磁電感第一計(jì)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(shí)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(lì)磁電流來對(duì)繞組電壓反相。依照經(jīng)驗(yàn)法則，勵(lì)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(jì)算過程拜會(huì)后文。變壓器勵(lì)磁電感的計(jì)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(shí)要求無(wú)噪聲布線，難于設(shè)計(jì)。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(shí)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(jì)算DVout，見等式(7)：(7)這里有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法規(guī)，就是選擇等式(6)計(jì)算出來的值一半的等效串通電阻(ESR)電容：RESR,max=22mW@0℃。這個(gè)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(dòng)工作時(shí)的裕量。最大峰值到峰值電流(IL)的計(jì)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(shí)間時(shí)期的降壓紋波電流等式：(9)同等式(9)進(jìn)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(jì)算見等式(11)：(11)其中，額定電感時(shí)間常數(shù)(τ)的計(jì)算見等式(12)：(12)變壓器電流經(jīng)過一系列計(jì)算(詳細(xì)計(jì)算過程拜會(huì)參照資料3)，能夠獲?。捍渭?jí)峰值電流(IL_pk)為11.13A，次級(jí)谷底電流(IL_valley)為8.86A，初級(jí)峰值電流(Ip_pk)為0.A，初級(jí)谷底電流(Ip_valley)為0.75A，初級(jí)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(shí)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(fèi)、開關(guān)導(dǎo)通耗費(fèi)計(jì)算見等式(13)到(14)：(13)(14)其中，交迭時(shí)間(由t)以低等式計(jì)算得出：(15)MOSFET的開關(guān)關(guān)閉耗費(fèi)見等式(16)：(16)其中，交迭時(shí)間(由t)以低等式計(jì)算得出：(17)因此，MOSFET的總耗費(fèi)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(jì)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(shí)間時(shí)期的導(dǎo)電耗費(fèi)為：Pcond,forward=IoutVfDCmax=10x0.5x0.45=2.25W(20)關(guān)閉時(shí)間時(shí)期的導(dǎo)電耗費(fèi)為：Pcond,freewheel=IoutVf(1-DCmin)=10x0.5x(1-0.39)=3.05W(21)NCP1252應(yīng)用設(shè)計(jì)：NCP1252元件計(jì)算用于選擇開關(guān)頻率的電阻Rt采用一顆簡(jiǎn)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，那么我們就可以獲取：(22)其中，VRt是Rt引腳上表現(xiàn)的內(nèi)部電壓參照(2.2V)。感測(cè)電阻NCP1252的最大峰值電流感測(cè)電壓達(dá)1V。感測(cè)電阻(Rsense)以初級(jí)峰值電流的20%余量來計(jì)算，其中10%為勵(lì)磁電流，10%為總公差：(23)(24)斜坡補(bǔ)償斜坡補(bǔ)償旨在防范頻率為開關(guān)頻率一半時(shí)出現(xiàn)次斜坡振蕩，這時(shí)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(lì)磁電廠所致的自然補(bǔ)償。依照所要求的斜坡補(bǔ)償(平時(shí)為50%至100%)，僅能夠外部增加斜坡補(bǔ)償與自然補(bǔ)償之間的差值。目標(biāo)斜坡補(bǔ)償?shù)燃?jí)為100%。相關(guān)計(jì)算等式以下：內(nèi)部斜坡：(25)初級(jí)自然斜坡：(26)次級(jí)向下斜坡：(27)自然斜坡補(bǔ)償：(28)由于自然斜坡補(bǔ)償?shù)陀?00%的目標(biāo)斜坡補(bǔ)償，我們需要計(jì)算約33%的補(bǔ)償：(29)(30)由于RcompCCS網(wǎng)絡(luò)濾波需要約220ns的時(shí)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(shí)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(huì)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(jí)時(shí)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(shí)，工作能效高于90%。這演示板還能夠藉在變換器次級(jí)端同步整流，進(jìn)一步提升能效達(dá)幾個(gè)百分點(diǎn)。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(dòng)功能，其中一個(gè)目標(biāo)應(yīng)用就是取代UC38xx。NCP1252有一個(gè)專用引腳，支持調(diào)治軟啟動(dòng)連續(xù)時(shí)間及控制啟動(dòng)時(shí)期的峰值。其他，NCP1252的待機(jī)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(shí)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(shì)，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(jì)過程。這器件集成了輸入欠壓檢測(cè)、軟啟動(dòng)及過載檢測(cè)等眾多特點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果顯示，NCP1252供應(yīng)極高的工作能效和極低的待機(jī)能耗，適合UC38xx取代、ATX電源、適配器及其他任何要求低待機(jī)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(jì)

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(diǎn)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，