第二节　零电压开关准谐振电流型控制反激式变换器

这个设计是关于传统的电压控制ZVS准谐振变换器的改进。通过将原有的无占空比限制的电流型控制IC改变成固定关断时间、可控开通时间的电流型控制方式,可构成ZVS拓扑。此外,应用谐振技术减少开关损耗的同时,还有过电流保护和电流型控制响应的优势。虽然它的工作频率可能不超过1MHz,但确实具备无开关损耗和低的EMI辐射的优点,见图3-4的电路图。

一、技术指标

输入电压范围:DC18-32V,DC+24V(额定值)

输出电压与电流:DC+15V 0.5~1A

欠电压“不启动”的电压:8.0V±1.0V

二、常用技术参数与元件参数的计算

1.“电流”预设计

输出功率:　　　　　　　V_outI=15×1=15W

最大峰值电流:

I_pk===4.6A

输入平均电流:

I_in(av)≈==0.7A

I_in(av-hi)≈==0.926A

确定一次绕组所需导线的规格,因为电源需要18V下通过额定负载电流,因此一次导线规格为#20AWG。

2.设计反激式变压器

在电源内部,变压器是唯一一个非表面贴安装元件,因为没有表面安装的磁芯可以大到支持15W的水平。虽然可以用环形的,但这里使用TDK公司的低造型E-E磁芯,(EPC)公司的低造型磁芯也可行。

(1)确定磁芯材料　电源将工作在150~500kHz频率范围内,两类磁芯材料可以适用于这个频率范围。“F”“3C8”和“H7P4”(不同制造厂商生产的类似的材料)可在800kHz工作。“N”“3C85”和“H7P40”也可以应用在该兆赫范围而只有很小的磁芯损耗。在这个应用中,采用H7P40材料(TDK)。

(2)磁定磁芯尺寸　TDK按磁芯在单管正激式变换器中能处理的功率大小分级。它的体积要求非常类似于反激式变换器。适合15W的EPC磁芯为EPC17或更大型号。这一体积的规格型号是:磁芯为PC40EPC17-Z;骨架为BER17-1111CPH和固定夹为EEPC17-A。

(3)确定一次电感　设定最大开通时间为7μs,这种情况出现在最小输入电压时,则一次电感将等于

L_pri===27.3μH(取27μH)

气隙长度约等于

l_gap≈==0.125m

有这个气隙的磁芯的A_L约为55nH/N²。这里采用TDK的A_L并用下列公式计算匝数:

N_pri===22.2匝(取22匝)

二次绕组电感控制磁芯在断续模式运行时释放自身储存能量的速率,由于输入和输出电压在幅值上非常接近,可以用1∶1的匝比,这样对于相应的PWM系统来说,关断时间是3μs。这里取匝比为1∶1,用双线并绕,以达到最高的耦合度。

N_sec=22匝

线径:

一次绕组为#20AWG或相当的导线——取#24AWG3股;

二次绕组为#20AWG或相当的导线——取#24AWG3股。

为防止混淆,使用两种不同颜色的导线。

(4)变压器绕线技巧　一次和二次绕组导线在绕到骨架上之前要先绞在一起,将各绕组端部分开,并焊到引脚上。将一层聚酯薄膜覆盖在外层,使其美观和安全。

3.设计谐振回路

这是对谐振回路参数初步的估算,因为现在还不可能预计实际电路所有寄生参数的影响。计算的回路参数值和控制IC的关断时间必须在调试时再调整。

首先,假定储存在LC谐振回路的能量是平均分配的,即

==

整理上式并解得谐振电容值为

C_r=

欲限制谐振电容(C_r)上的尖峰电压小于100V,解得

C_r==0.024μF(取0.02μF)

选择电源的最高工作频率为250kHz。轻载时,最大开通时间应在10%~15%之间。所以谐振频率也在250kHz左右,解得谐振电感为

L_r===20μH

4.设计输出整流/滤波级

(1)输出整流器选择

V_r=V_out+[V_in(max)]=15+32=47V

二极管D4选用MBE360。

(2)二极管的输出滤波电容

C_o===40μF

取电容C_o为47μF/DC25V。采用高等级的钽电容,并与0.5uF陶瓷电容并联。

设计自启动部分:采用电流限制线性调节型启动电路。

对于基极偏置电阻R₁:

R₁=(18-12)/0.5=12kΩ

对集电极限流电阻R₂:

R₂=(18-13)/10=500Ω(取510Ω)

5.设计控制部分

使用普通的UC3842电流型控制IC。因为IC50%占空比的限制,所以挑选IC也很重要。振荡器工作在固定关断时间的单触发方式,即关断时定时电容短接到地,开通时间由电流检测输入引脚控制。当电流达到一定值时,定时电容将被释放,振荡器如同一个单触发定时器,如此循环工作。

改造成固定关断时间的控制器:在定时电容两端接一个小功率N沟道MOSFET,它的栅极与主功率MOSFET的栅极相接,小功率MOSFET可选BS170或2N7002。根据有关元器件数据手册以及约2μs的关的时间,定时元件电阻大约为15kΩ,电容为220pF。这些值在调试时还要进一步调整到与谐振回路的半周期相匹配。

6.设计电压负反馈环

使用1.0mA的检测电流,使得电压检测电阻分压器的下电阻(R₉)为2.49kΩ,1%。

上电阻(R₈)为

R₈=(15-2.5)/1=12.5kΩ(取12.4kΩ,1%)

7.设计反馈环补偿

零电压准谐振电源通常频率随着电源电压和负载的变化而发生4倍的改变,由于这种改变,估计最低开关频率为80kHz。可以用这个值来估算补偿量。

即使工作在变频状况,电流型反激式变换器的控制到输出特性曲线还是单极点的,所以应采用单极-零点补偿方法。滤波器极点、ESR零点和直流增益等于

A_DC==2.41

G_DC=20lg2.41=7.7dB

f_fp(hi)==225Hz(额定负载1A时)

f_fp(low)==112Hz(额定负载0.5A时)

控制到输出特性曲线见图3-3。

图3-3　幅频和相频特性博德图(补偿设计)

穿越频率应小于f_sw/5,即

f_xo<80/5<16kHz

设为10kHz。

为使穿越频率的增益为0dB,补偿网络的增益为

G_xo=20lg[f_xo/f_fp(hi)]-G_DC

=20lg(10000/225)-7.7

=25.2dB(仅用于博德图)

A_xo=18.3(标量增益)

补偿误差放大器零点设在最低的滤波器极点上,即

f_ez=f_fp(low)=112Hz

补偿误差放大器极点设在电容ESR引起的最低的预期零点频率上,即

f_ep=f_p(ESR)=10kHz(近似值)

已知+5V电压检测分压器的上电阻值(R₈=12.4kΩ)。

C₃===70pF(取68pF)

R₃=A_xoR₁=18.3×12.4=227kΩ(取220kΩ)

C₄===0.065μF(取0.06μF)

最终所设计的电路见图3-4。

图3-4　ZVS准谐振电流型反激式变换器