安森美案例:双开关正激转换器及其应用设计
发表时间: 2024-06-13 13:19:39 作者: ayx爱游戏网页版中国
是一种最基本类型的基于变压器的隔离降压转换器,大范围的使用在需要大降压比的应用。这种转换器的优点包括只需单颗接地参考晶体管,及非脉冲输出电流减小输出电容的均方根纹波电流含量等。但这种转换器的功率能力小于半桥或全桥,且变压器需要磁芯复位,使这种转换器的最大占空比限制在约50%。此外,金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)
正激转换器中,变压器的磁芯单方向磁化,在每个开关周期都需要采取对应的措施来使磁芯复位到初始值,否则励磁电流会在每个开关周期增大,经历几个周期后会使磁芯饱和,损坏开关器件。相对而言,如果有磁芯复位,电流就不会在每个开关周期增大,电压会基于励磁电感(Lmag)反相并使磁芯复位。图1以单开关正激转换器为例,简要对比了无磁芯复位与有磁芯复位的电路图及励磁电感电流波形。
有3种常见的标准磁芯复位技术,分别是三次绕组,电阻、电容、二极管(RCD)钳位和双开关正激。三次绕组磁芯复位技术的电路示意图参见图1b),这种技术可提供大于50%的占空比,但开关Q1的峰值电压可能大于输入电压的2倍,而且变压器有三次绕组,使变压器结构更复杂。RCD钳位磁芯复位技术也能使占空比大于50%,但需要写等式和仿真,以检验复位的正确性,让设计过程更复杂。RCD钳位技术的成本比三次绕组技术低,但由于复位电路中的钳位电阻消耗能量,影响了电源转换效率。
与前两种磁芯复位技术相比,双开关正激更易于实现,而且开关Q1上的峰值电压等于输入电压,降低了开关所承受的电压应力。这种技术需要额外的MOSFET (Q2)和高端驱动器,且需要2个高压低功率二极管(D3和D4),参见图2。双开关正激技术的每个开关周期包含3步:第1步,开关Q1、Q2及二极管D1导通,二极管D2、D3及D4关闭;第2步,开关Q1、Q2及二极管D1关闭,而二极管D2、D3及D4导通;第3步,开关Q1、Q2及二极管D1仍然关闭,二极管D2仍然导通,而二极管D3及D4则关闭。
当然,采用这种技术后,转换器就成了双开关正激转换器,它不同于单开关正激转换器,不需要特殊的复位电路就能够保证可靠的变压器磁芯复位,可靠性高,适合更高功率等级。
NCP1252是安森美半导体新推出的一款改进型双开关正激转换器,适合于计算机ATX电源、交流适配器、UC38XX替代及其它任何要求低待机能耗的应用,相关能效测试结果将在后文提及。这器件也是一种固定频率控制器,带跳周期模式,可提供真正的空载工作。此外,NCP1252具有可调节开关频率,增强设计灵活性;还带有闩锁过流保护功能,可承受暂时的过载。其它特性还包括可调节软启动时长、内部斜坡补偿、自恢复输入欠压检测等。
NCP1252与市场上不含输入欠压检测 、软启动及过载检测的UC384x系列器件相比,提供这系列器件所不包含的这些功能(额外实现成本为0.07美元),减少相关成本并提升可靠性。
其中,Vout是输出电压,η是目标能效,Vbulk min是最小输入电压(即350 Vdc),DCmax是NCP1252的最大占空比,N是变压器匝数比。
为了恰当地磁芯复位,需要极小的励磁电流来对绕组电压反相。根据经验法则,励磁电流为初次峰值电流(Ip_pk)的10%。其中,Ip_pk取值0.94,这数值的计算过程参见后文。变压器励磁电感的计算见等式(4):
首先选择交越频率(fC)。因开关噪声缘故,fC大于10 kHz时要求无噪声布线,难于设计。故不推荐在较高的频率交越,直接选定fC为10 kHz。
如果我们假定由fC、输出电容(Cout)及最大阶跃负载电流(ΔIout)确定出ΔIout 时的最大压降(Vout)为250 mV,我们就能写出下述等式:
我们选择的是2颗松下FM系列的1,000µF@16V电容。从电容规范中解析出:
这里有一个经验法则,就是选择等式(6)计算出来的值一半的等效串联电阻(ESR)电容:RESR,max = 22 mW @ 0 ℃。这个规则考虑到了电容工艺变化,以及留出一些电源在极低环境和温度条件下启动工作时的裕量。
对等式(9)进行转换,就能够获得等式(10),最终我们最终选择27 µH的标准值。