一种自激式反激变换器的分析和设计.pdf-资料库

一种自激式反激变换器的分析和设计 http://www.paper.edu.cn 顾元强，尹斌，吴海新，王先永河海大学电气工程学院，南京 (210098) E-mail: guyq2005@163.com 摘要：自激式反激变换器（通常指 RCC）电路简单，成本低廉，广泛应用于 100W 以下的小功率开关稳压电源。本文详细介绍了 RCC 电路的工作原理和设计方法。关键词：RCC，自激，反激变换器 1. 引言自激式反激变换器，通常称为 RCC 电路（ringing choke converter），出现在稳压电源 IC 之前，可实现最简单的开关稳压器。基于 RCC 方式的开关稳压器不需要外部时钟，通过变压器和开关晶体管就可实现振荡功能，只需少数分立器件就可以获得专用芯片才能实现的输出性能，通过良好的设计可获得高效可靠的工作[1]。 RCC 变换器总是工作于边界连续状态(DCM/CCM),采用峰值电流控制模式。由于要维持其边界连续模式，并且原边电流上升斜率受输入电压影响，因此工作频率和占空比均受输入电压和输出电流的控制，在高输入电压和轻载时频率较高[2]。 2. 电路工作原理分析 RCC 方式的本质即为反激变换器，图 1 给出实际应用最多的 RCC 方式的基本电路图。为简化稳态分析，可做如下近似[2] [3]：（1）、忽略变压器漏感对主管 1Q 的集射极电压 CEV 的影响，实际使用时需要 RCD 箝位；（2）、主电路输出电容足够大，输出绕组电压箝位于输出电压 OV ；（3）、稳态时电容 3C 上的电压保持不变；（4）、稳态时电阻 gR 的作用可以忽略。 * Lp D2 C2 R1 Ls * Rg Rb C1 0 Vin Q1 DZ Rs 0 Vz D1 D3 * Lb C3 下面分析其工作过程[1] 图 1 RCC 基本电路图 - 1 -

http://www.paper.edu.cn 2.1 电路的起动接通输入电源 INV 后，电流 gi 通过电阻 gR 流向开关晶体管 1Q 的基极， 1Q 导通， gi 称为起动电流。在 RCC 方式中，晶体管 1Q 的集电极 CI 必然由零开始逐渐增加，因此 gi 应尽量小一点。 2.2 开关晶体管处于 ON 状态时一旦 1Q 进入 ON 状态，输入电压 INV 将加在变压器的初级绕组 PN 上。由匝比可知，基极线圈 BN 上产生的电压为，该电压与 1Q 导通极性相同，为正反馈电压，其作用是使开关晶体管进一步迅速导通。因此 BV 将维持 1Q 的导通状态，此时基极电流 N V ) N V = IN ( / B P B BI 是连续的稳定电流， ( I B = − / N N V ) IN B R B P V ( D 1 + V BE ) （忽略 SR 上的压降，下同）。此时变压器二次绕组上感应电压为反向电压，整流二极管 2D 截止，二次绕组中无电流通过。若一次绕组电感为 PL ,导通时间为t ， 1Q 集电极电流 CI 线性增长， t L / P V IN 。 = ∗ I C I 随着 CI 的增加，当 ∗ 时，晶体管退出饱和状态， CEV 随之增大，变压器一次 h FE 绕组电压下降，反馈绕组感应电压下降，基极电流 BI 进一步减小，基极电流不足，开关管迅速截止。 BI ≥ C 2.3 开关晶体管处于 OFF 状态时晶体管从导通到截止瞬间，根据磁通连续性定理，磁场的方向和大小都保持不变，因此， P P I = N 2 * P I 知导通瞬间电流 2 要与一次绕组中流经的电流保持同样的安匝数，二次绕组电压反向，使二极管导通，由等式 I 1 N ∗ 设输出电压 OV ，整流二极管压降 2DV ，二次绕组电感 SL ，则二次绕组电压 V V L 的速率下降，同时变压器电感中储存的能量供给输出 V = O S 端。 V + ，二极管电流以 /S D N N I 1 * P 。 = / P P S S 2 S 2.4 开关管再次导通变压器中的能量全部转移到输出端，则整流二极管 2D 的电流变为 0 截止，此瞬间变压器各绕组电压也变为 0，启动电阻 gR 中部分电流变为开关管基极电流，在正反馈作用下再次导通。 2.5 稳压原理 RCC 电路是一种非固定周期的开关电源，它不是由占空比连续变化的 PWM 控制信号来驱动。当输出电压超过额定值时，开关管提前关断， 1PI 峰值电流减小，反激变压器储能下降，变换器输出电压降低；当输出电压低于额定时，开关管延迟关断， 1PI 峰值电流升高，变压器储能增加，变换器输出电压上升，完成输出稳压调整过程。要使晶体管关断，只要使基极的驱动电流不足即可（相对于集电极电流而言），因此，可以用稳压管 ZD 来分流。 ZD 的阳极与电容器 3C 的阴极相连。在 1Q OFF 期间， BN 线圈通 - 2 -

http://www.paper.edu.cn 过导通的 3D 为 3C 充电， 3C 的电压变为负电压， ZD 的齐纳电压 ZV 为： Z V V + ，如 BE 果输出电压上升， 3C 的端电压 CV 也随输出电压 OV 成正比上升，于是齐纳二极管 ZD 导通，驱动电流从它所形成的旁路流过，进而使 1Q OFF。此间 BN 线圈和 SN 线圈的电压值分别与 V C = 匝数成正比,即 V C = N N B S V ( O + V D 2 ) − ，反之也可改变 CV 使 OV 随之改变。因此由 ZV 、 V D 3 N N 即可确定输出电压 OV 。即输出电压为 /S B V O = N S N B i V V ( − Z BE + V D 3 ) − V D 2 ，若忽略 BEV 、 2DV 和 3DV ，则 OV 与 ZV 成正比，且输出电压的精度由电压 ZV 的精度确定。 3. RCC 电路设计方法 RCC 电路的设计包括功率主电路设计和控制电路的设计。下面结合一 24V/3A 的电源实例说明其设计步骤。主要技术参数：（1）输入电压 AC:220V ± 10%，频率：50Hz；（2）输出：电压 24V，电流 3A；（3）稳压精度：5%；(4)工作效率>75% 。 3.1 变压器参数计算设计中按最低输入电压、最大输出电流计算，此时振荡频率最低，取为 50k，占空比 D=0.4。最低输入直流电压： INV (min) ＝220×（1-10%）× 2 ×0.9＝252V 变压器电感及匝数的计算： i 2 ave 1( D i 1 = p PN 线圈的电感 PL 为： L P = ) = P 2 O D Vη IN (min) = 2 24 3 × × × × 0.4 0.75 252 = 1.90 A (min) V IN i 1 P t on = 252 8 10 1.90 × × 6 − = 1.06 mH 次级线圈电压： V + O 由变压器的伏秒平衡可得： V S = V D 2 = 24 0.7 + = V 24.7 V IN (min) DT = N N P S V S (1 − D T ) 从而得到匝数比： N PS = N N P S = D V IN (min) D V ) (1 − S = 252 0.4 24.7 0.6 × × = 6.8 由于动作频率较低且输出功率很低，故采用的磁芯为 TDK 生产的材质为 3SH 的 EI40。一次线圈匝数： - 3 -

N P = on × t V IN (min) i B A ∆ e N N = / 10 8 = 252 8 10 6 − 2800 1.48 49 / 6.8 7.2 × × × = 取 8 匝。二次线圈匝数：基极绕组匝数 BN ：设最低输入电压 BV =6V， PS P S = N http://www.paper.edu.cn × 10 8 = 49 变压器间隙： BN = 6 252 × 49 1.17 = 取 1 匝 l g = i 4 π 2 P i A N e L P × 10 8 π− = 4 2 1.48 49 1.06 10 − × × 3 × 10 − 8 = 0.42 mm 实际的间隙纸板厚度为 gl 的一半，即为 0.21mm。 3.2 稳压电路的设计首先，当 1Q 处于 OFF 时，线圈 BN 的电压 ' BV 为 1 24.7 3.1 V = × 8 = ' V B = N N B S i V S 作为电压控制用的齐纳二极管 ZD 两端的电压 ZV 为： ZV = ' BV + BEV — 3DV =3.1V 由于变压器本身也有压降，因此实际应用的电压值稍高一些的二极管，可取 3.3V。 3.3 驱动电路设计当输入电压最高时， 1Q 集电极电压最高值 CEV 为 V CE = V N S * PS + V IN MAX ( ) = 24.7 6.8 248 × + × V 2 0.9 484 × = 考虑到变压器漏感引起的浪涌电压，因此采用高速、高压开关晶体管 2SC3460。 CI 时，考虑一定的余裕， FEh 取 10，必须的基极电流 BI 约为 0.19A。于 = 设 1.9 A 是基极电阻 BR 为： R B = V B − V ( BE I B + V D 1 ) = (1/ 49) 252 (0.7 0.7) × + = Ω 27 起动电流有 1mA 就足够了，因此起动电阻为： R g = 实际取 240k. (min) / i g = 252 /.001 252 = k Ω ，基极电阻 BR 与变压器线圈 BN 之间连接的电容器 1C 的目的是加速 1Q 的基极电流，改善电流的起动特性。该电路中，采用 0.0047u 的薄膜电容器 4. 设计电路的仿真在上文分析的基础上，运用 OrCAD PSpice9.2 建立电路图, 进行仿真、调试,仿真波形如图 2－图 4 所示（R1＝8 欧姆）。 - 4 - − 0.19 V IN

http://www.paper.edu.cn 图 2 输出电压 OV 波形 1Q 集电极电流 CI 图 3 波形图 4 BR 上驱动电压波形从仿真波形可以看出，电路工作周期 T＝19us, 开通时间 ONT ＝7.9us,占空比 D＝7.9/19 ＝41.6%；输出电压 OV ＝23.95V，误差 (24 23.95) / 24 0.2% 5. 总结 e = − = ,满足设计要求。本文对 RCC 变换器进行原理分析并结合实例给出了设计方法，最后对所设计的电路进行了仿真验证。需要注意的是，由于各器件都不是理想的，在实际设计中必须考虑各种近似带来的影响。 - 5 -

http://www.paper.edu.cn 参考文献 [1] 户川治郎. 实用电源电路设计[M]. 北京：科学出版社，2006 [2] 樊晓东. RCC 电路原理分析与设计[J].电源世界，2007.1:20-22 [3] Brian T. Irving and Milan M. Jovanović. Analysis and Design of Self-Oscillating Flyback Converter [J], IEEE Applied Power Electronics Conf. (APEC)Proc., pp.897-903, March 2002. Principle and Design of Self-Oscillating flyback converter Gu Yuanqiang, Yin Bin, Wu Haixin, Wang Xianyong College of Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing (210098) The self-oscillating fly back converter (often referred to as RCC) is widely used in low-power regulated switching power supply due to its simplicity and low component count .This paper presents a detailed principle analysis and design guidelines of RCC. Keywords: RCC, self-oscillating, fly back converter Abstract - 6 -

资料库

一种自激式反激变换器的分析和设计.pdf

相关推荐

开发技术

热门标签

最新资料