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一種準諧振反激式開關電源的設計

鉅大LARGE  |  點擊量:1445次  |  2020年05月19日  

準諧振轉換是十分成熟的技術,廣泛用于消費產品的電源設計中。新型的綠色電源系列控制器實現低至150mW的典型超低待機功耗。本文將闡述準諧振反激式轉換器是如何提高電源效率以及如何用UCC28600設計準諧振電源。


1常規的硬開關反激電路


圖1所示為常規的硬開關反激式轉換器電路。這種不持續模式反激式轉換器(DCM)一個工作周期分為三個工作區間:(t0~t1)為變壓器向負載供應能量階段,此時輸出二極管導通,變壓器初級的電流通過Np:Ns的耦合流向輸出負載,逐漸減小。


MOSFET電壓由三部分疊加而成:輸入直流電壓VDC、輸出反射電壓VFB、漏感電壓VLK.到t1時刻,輸出二極管電流減小到0,此時變壓器的初級電感和和寄生電容構成一個弱阻尼的諧振電路,周期為2πLC.在停滯區間(t1~t2),寄生電容上的電壓會隨振蕩而變化,但始終具有相當大的數值。當下一個周期t2節點,MOSFET導通時間開始時,寄生電容(COSS和CW)上電荷會通過MOSFET放電,出現很大的電流尖峰。由于這個電流出現時MOSFET存在一個很大的電壓,該電流尖峰因此會做成開關損耗。此外,電流尖峰含有大量的諧波含量,從而出現EMI.


2準諧振反激式設計的實現


利用檢測電路來有效地“感測”MOSFET漏源電壓(VDS)的第一個最小值或谷值,并僅在這時啟動MOS-FET導通時間,由于寄生電容被充電到最低電壓,導通的電流尖峰將會最小化。這情況常被稱為谷值開關(ValleySwitching)或準諧振開關。這種電源是由輸入電壓/負載條件決定的可變頻率系統。換言之,調節是通過改變電源的工作頻率來進行,不管當時負載或輸入電壓是多少,MOSFET始終保持在谷底的時候導通。這類型的工作介于持續(CCM)和不持續條件模式(DCM)之間。因此,以這種模式工作的轉換器被稱作在臨界電流模式(CRM)下工作。臨界模式下MOSFET漏源電壓如圖2所示。


在反激式電源設計中采用準諧振開關方法有著許多優點:


(1)降低導通損耗


由于MOSFET導通具有最小的漏源電壓,故可以減小導通電流尖峰。減輕了MOSFET的壓力,降低器件的溫度。


(2)降低輸出二極管反向恢復損耗


由于二次側的整流管零電流關斷,反向恢復損耗降低,從而提高電源整體效率。


(3)減少EMI


導通電流尖峰的減小以及在準諧振過程中存在頻率抖動,將會減小EMI噪聲,這就減少EMI濾波器的使用數量,從而降低電源成本。


3基于UCC28600控制器的鎢燈電源的設計


3.1UCC28600控制器的重要特性


UCC28600控制器的重要特性有先進的綠色模式控制方式;低EMI及低損耗(谷底開關)的準諧振控制方式;空載損耗小于150mW(低待機電流);低啟動電流(最大25μA);可編程過壓保護(輸入電壓和輸出電壓);內置過溫保護,溫度回復后可自動重啟;限流保護:逐周期限功率,過電流打嗝式重啟;可編程軟啟動;集成綠色狀態腳(pFC使能端)。


3.2UCC28600工作原理


UCC28600內部集成了UVLO比較器,高頻振蕩器,準諧振控制器和軟起動控制器,待機模式跳脈沖比較器,輸入和輸出過電壓保護。其內部結構圖如圖3所示。


(1)UVLO比較器


UCC28600的VDD電壓在13V起動,在低于8V時關閉,有5V的滯差電壓,可以提高UCC28600工作的穩定性。


(2)內部振蕩器


UCC28600內部集成了一個40~130kHz的振蕩器。


(3)準諧振控制器和軟起動控制器


UCC28600采用準諧振的開關變換器以提高轉換效率,利用變壓器的勵磁磁通,在開關關斷期間,檢測變壓器繞組的輸出電壓,假如電壓偏低及處于振蕩的波谷時,可以確認該時刻變壓器勵磁磁通耗盡,可以開啟下一周期。該準諧振模式可分為臨界導通模式(CRM)和不持續導通模式(DCM)以及頻率調制模式(FFM)。


(4)待機模式和跳脈沖比較器


當功率繼續減小,UCC28600進入待機模式;頻率調制模式(FFM)頻率下降到40kHz,不再減小;當FB小于0.6V時,開關脈沖輸出關斷,當FB大于0.7V時,開關脈沖正常輸出,從而得到跳脈沖模式的待機工作狀態。


(5)輸入和輸出過電壓保護


OVp引腳為過電壓(線電壓和負載電壓)輸入腳以及諧振開通的響應腳,此腳通過變壓器初級偏置線圈來偵測輸入過壓,負載過壓及諧振條件,其過壓點可通過與此腳相連的電阻來靈活調節。


3.3鎢燈電源的技術指標


輸入電壓:95~260VAC50/60Hz;輸出電壓:5V;輸出電流:4.3A;可遙控關閉電源輸出。


3.4電源設計過程


鎢燈電源電路圖如圖4所示,交流電源從左上角輸入,經輸入電源濾波器、整流橋、高壓電容,轉為約130~360V的直流高壓。N14、V30組成高壓側主電路,將直流高壓斬波為脈沖電壓,通過變壓器耦合,經V12整流輸出,輸出電容濾波為直流電壓。


3.4.1啟動電路


由于UCC28600的啟動電流非常小,典型值為12μA,可以大大降低啟動電阻的功耗,因而啟動電阻由三個300kΩ的貼片電阻串聯而成。但由于VDD引腳要一個足夠的儲能電容防止在工作時出現打嗝現象,帶來的一個問題是VDD啟動時電壓上升過慢,電源啟動時間過長。解決方法是VDD引腳采用小電容,反供繞組采用大電容,兩者之間用V34(1N4148)隔離。


3.4.2遙控電路


遙控電路用光耦TLp181安全隔離,當遙控信號輸入CTL端加電流信號時,光耦輸出端導通,通過V33將UCC28600的SS引腳拉低,關閉MOSFET的驅動信號;通過R32將VDD電壓拉低,低于UCC28600的啟動電壓,防止芯片一直處于重啟過程。


3.4.3反饋電路


采用TL431采樣輸出端電壓,通過光耦TLp181隔離后反饋到芯片的輸入端。TL431的基準電壓為2.495V,通過R84、R85的分壓,將輸出電壓設定在11.5V.由于負載為固定鎢燈電源,所以不用考慮電源的瞬態相應,故TL431的補償電容采用簡單的Ⅰ類補償,電路簡單,穩定可靠。


3.4.4變壓器設計


設在最大負載時,UCC28600工作在準諧振模式,其最大占空比發生在最低輸入電壓時,在固定輸入電壓和輸入功率的情況下:


初級繞組采用2×0.35漆包線,次級采用125μm銅箔,采用三明治繞法,磁芯中心柱開氣隙,使ALG為275nH/T2.


3.5測試數據


3.5.1電源轉換效率


電源在不同輸入輸出條件下效率如圖5所示。


3.5.2不同狀態下的開關管波形


電源在不同狀態下的開關管波形如圖6所示。


由圖6可以看出,當輸出負載很小時,電源是工作于跳脈沖模式,這樣可以降低開關損耗,提高輕載電源效率;隨著負載加大,電源開始進入頻率調制工作模式。在滿載且輸入電壓較高時,電源工作于頻率較高的準諧振模式;假如輸入電壓較低時,工作模式不變,但開關頻率降低,維持開關管在波形谷底導通。


4結語


本文提出的基于UCC28600控制器的準諧振反激式開關電源的設計方法,該方法利用準諧振技術降低了MOSFET的開關損耗。實踐證明,基于UCC28600的準諧振反激式開關電源的設計具有輸入電壓范圍寬、輸出電壓精度高、高轉換效率、低待機功耗等特點。本電源應用于鎢燈電源中,最高效率達到86%,收到了良好效果。

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