1、概述
开关电源的设计是一份非常耗时费力的苦差事,需要不断地修正多个设计变量,直到性能达到设计目标为止。本文 介绍反激变换器的设计步骤,并以一个6.5w 隔离双路输出的反激变换器设计为例,主控芯片采用ncp1015。
基本的反激变换器原理图如图 1 所示,在需要对输入输出进行电气隔离的低功率(1w~60w)开关电源应用场合,反激变换器(flyback converter)是最常用的一种拓扑结构(topology)。简单、可靠、低成本、易于实现是反激变换器突出的优点。
2、设计步骤
接下来,参考图 2 所示的设计步骤,一步一步设计反激变换器
1.step1:初始化系统参数
------输入电压范围:vinmin_ac 及vinmax_ac
------电网频率:fline(国内为50hz)
------输出功率:(等于各路输出功率之和)
------初步估计变换器效率:η(低压输出时,η取0.7~0.75,高压输出时,η取0.8~0.85)根据预估效率,估算输入功率:
对多路输出,定义kl(n)为第n 路输出功率与输出总功率的比值:
单路输出时,kl(n)=1.
2. step2:确定输入电容cbulk
cbulk 的取值与输入功率有关,通常,对于宽输入电压(85~265vac),取2~3μf/w;对窄范围输入电压(176~265vac),取1μf/w 即可,电容充电占空比dch 一般取0.2 即可。
一般在整流后的最小电压vinmin_dc 处设计反激变换器,可由cbulk 计算vinmin_dc:
3. step3:确定最大占空比dmax
反激变换器有两种运行模式:电感电流连续模式(ccm)和电感电流断续模式(dcm)。两种模式各有优缺点,相对而言,dcm 模式具有更好的开关特性,次级整流二极管零电流关断,因此不存在ccm 模式的二极管反向恢复的问题。此外,同功率等级下,由于dcm模式的变压器比ccm 模式存储的能量少,故dcm 模式的变压器尺寸更小。但是,相比较ccm 模式而言,dcm 模式使得初级电流的rms 增大,这将会增大mos 管的导通损耗,同时会增加次级输出电容的电流应力。因此,ccm 模式常被推荐使用在低压大电流输出的场合,dcm 模式常被推荐使用在高压 小电流输出的场合。
图 4 反激变换器
对ccm 模式反激变换器而言,输入到输出的电压增益仅仅由占空比决定。而dcm 模式反激变换器,输入到输出的电压增益是由占空比和负载条件同时决定的,这使得dcm 模式的电路设计变得更复杂。但是,如果我们在dcm 模式与ccm 模式的临界处(bcm 模式)、输入电压最低(vinmin_dc)、满载条件下,设计dcm 模式反激变换器,就可以使问题变得简单化。于是,无论反激变换器工作于ccm 模式,还是dcm 模式,我们都可以按照ccm模式进行设计。
如图 4(b)所示,mos 管关断时,输入电压vin 与次级反射电压nvo 共同叠加在mos的ds 两端。最大占空比dmax 确定后,反射电压vor(即nvo)、次级整流二极管承受的最大电压vd 以及mos 管承受的最大电压vdsmax,可由下式得到:
通过公式(5)(6)(7),可知,dmax 取值越小,vor 越小,进而mos 管的应力越小,然而,次级整流管的电压应力却增大。因此,我们应当在保证mos 管的足够裕量的条件下,尽可能增大dmax,来降低次级整流管的电压应力。dmax 的取值,应当保证vdsmax 不超过mos管耐压等级的80%;同时,对于峰值电流模式控制的反激变换器,ccm 模式条件下,当占空比超过0.5 时,会发生次谐波震荡。综合考虑,对于耐压值为700v(ncp1015)的mos管,设计中,dmax 不超过0.45 为宜。
4. step4:确定变压器初级电感lm
对于ccm 模式反激,当输入电压变化时,变换器可能会从ccm 模式过渡到dcm 模式,对于两种模式,均在最恶劣条件下(最低输入电压、满载)设计变压器的初级电感lm。由下式决定:
其中,fsw 为反激变换器的工作频率,krf 为电流纹波系数,其定义如下图所示:
对于dcm 模式变换器,设计时krf=1。对于ccm 模式变换器,krf1m),线圈电流密度取5a/mm2;当绕组线圈长度较短时,线圈电流密度取6~10a/mm2。当流过线圈的电流比较大时,可以采用多组细线并绕的方式,以减小集肤效应的影响。
其中,ac 是所有绕组导线截面积的总和,kf 为填充系数,一般取0.2~0.3.
检查磁芯的窗口面积(如图 7(a)所示),大于公式 21 计算出的结果即可。
8. step8:为每路输出选择合适的整流管
每个绕组的输出整流管承受的最大反向电压值vd(n)和均方根值idrms(n)如下:
选用的二极管反向耐压值和额定正向导通电流需满足:
9. step9:为每路输出选择合适的滤波器
第n 路输出电容cout(n)的纹波电流icaprms(n)为:
选取的输出电容的纹波电流值iripple 需满足:
输出电压纹波由下式决定:
有时候,单个电容的高esr,使得变换器很难达到我们想要的低纹波输出特性,此时可通过在输出端多并联几个电容,或加一级lc 滤波器的方法来改善变换器的纹波噪声。注意:lc 滤波器的转折频率要大于1/3 开关频率,考虑到开关电源在实际应用中可能会带容性负载,l 不宜过大,建议不超过4.7μh。
10. step10:钳位吸收电路设计
如图 8 所示,反激变换器在mos 关断的瞬间,由变压器漏感llk 与mos 管的输出电容造成的谐振尖峰加在mos 管的漏极,如果不加以限制,mos 管的寿命将会大打折扣。因此需要采取措施,把这个尖峰吸收掉。
反激变换器设计中,常用图 9(a)所示的电路作为反激变换器的钳位吸收电路(rcd钳位吸收)。
rclamp 由下式决定,其中vclamp 一般比反射电压vor 高出50~100v,llk 为变压器初级漏感,以实测为准:
图 9 rcd 钳位吸收
cclamp 由下式决定,其中vripple 一般取vclamp 的5%~10%是比较合理的:
输出功率比较小(20w 以下)时,钳位二极管可采用慢恢复二极管,如1n4007;反之,则需要使用快恢复二极管。
11. step11:补偿电路设计
开关电源系统是典型的闭环控制系统,设计时,补偿电路的调试占据了相当大的工作量。目前流行于市面上的反激控制器,绝大多数采用峰值电流控制控制模式。峰值电流模式反激的功率级小信号可以简化为一阶系统,所以它的补偿电路容易设计。通常,使用dean venable提出的type ii 补偿电路就足够了。
在设计补偿电路之前,首先需要考察补偿对象(功率级)的小信号特性。
如图8 所示,从ic 内部比较器的反相端断开,则从控制到输出的传递函数(即控制对象的传递函数)为:
附录分别给出了ccm模式和dcm模式反激变换器的功率级传递函数模型。ncp1015工作在dcm 模式,从控制到输出的传函为:
其中:
vout1 为主路输出直流电压,k 为误差放大器输出信号到电流比较器输入的衰减系数(对ncp1015 而言,k=0.25),m 为初级电流上升斜率,ma 为斜坡补偿的补偿斜率(由于ncp1015内部没有斜坡补偿,即ma=0),idspeak 为给定条件下初级峰值电流。于是我们就可以使用mathcad(或matlab)绘制功率级传函的bode 图:
在考察功率级传函bode 图的基础上,我们就可以进行环路补偿了。
前文提到,对于峰值电流模式的反激变换器,使用dean venable type ii 补偿电路即可,典型的接线方式如下图所示:
通常,为降低输出纹波噪声,输出端会加一个小型的lc 滤波器,如图 10 所示,l1、c1b 构成的二阶低通滤波器会影响到环路的稳定性,l1、c1b 的引入,使变换器的环路分析变得复杂,不但影响功率级传函特性,还会影响补偿网络的传函特性。然而,建模分析后可知:如果l1、c1b 的转折频率大于带宽fcross 的5 倍以上,那么其对环路的影响可以忽略不计,实际设计中,建议l1 不超过4.7μh。于是我们简化分析时,直接将l1直接短路即可,推导该补偿网络的传递函数g(s)为:
其中:
ctr 为光耦的电流传输比,rpullup 为光耦次级侧上拉电阻(对应ncp1015,rpullup=18kω),cop 为光耦的寄生电容,与rpullup 的大小有关。图 13(来源于sharp pc817 的数据手册)是光耦的频率响应特性,可以看出,当rl(即rpullup)为18kω时,将会带来一个约2khz左右的极点,所以rpullup 的大小会直接影响到变换器的带宽。
k factor(k 因子法)是dean venable 在20 世纪80 年代提出来的,提供了一种确定补偿网络参数的方法。
如图 14 所示,将type ii 补偿网络的极点wp 放到fcross 的k 倍处,将零点wz 放到fcross的1/k 处。图 12 的补偿网络有三个参数需要计算:rled,cz,cpole,下面将用k factor 计算这些参数:
-------确定补偿后的环路带宽fcross:通过限制动态负载时(△iout)的输出电压过冲量(或下冲量)△vout,由下式决定环路带宽:
-------考察功率级的传函特性,确定补偿网络的中频带增益(mid-band gain):
-------确定dean venable 因子k:选择补偿后的相位裕量pm(一般取55°~80°),由公式 32 得到fcross 处功率级的相移(可由mathcad 计算)ps,则补偿网络需要提升的相位boost 为:
则k 由下式决定:
-------补偿网络极点(wp)放置于fcross 的k 倍处,可由下式计算出cpole:
-------补偿网络零点(wz)放置于fcross 的1/k 倍处,可由下式计算出cz:
3 仿真验证
计算机仿真不仅可以取代系统的许多繁琐的人工分析,减轻劳动强度,避免因为解析法在近似处理中带来的较大误差,还可以与实物调试相互补充,最大限度的降低设计成本,缩短开发周期。
本例采用经典的电流型控制器uc3843(与ncp1015 控制原理类似),搭建反激变换器。其中,变压器和环路补偿参数均采用上文的范例给出的计算参数。
仿真测试条件:低压输入(90vac,双路满载)
1.原理图
图 17 仿真原理图
2. 瞬态信号时域分析
从图 18 可以看出,最低cbulk 上的最低电压为97.3v,与理论值98v 大致相符。
3. 交流信号频域分析
4. 动态负载波形测试
测试条件:低压输入,满载,主路输出电流0.1a---1a---0.1a,间隔2.5ms,测试输出电压波形。
4 pcb 设计指导
1. pcb layout—大电流环路包围的面积应极可能小,走线要宽。
2. pcb layout—高频(di/dt、dv/dt)走线
a. 整流二级,钳位吸收二极管,mos 管与变压器引脚,这些高频处,引线应尽可能短,layout 时避免走直角;
b. mos 管的驱动信号,检流电阻的检流信号,到控制ic 的走线距离越短越好;
c. 检流电阻与mos 和gnd 的距离应尽可能短。
3. pcb layout—接地
初级接地规则:
a. 所有小信号gnd 与控制ic 的gnd 相连后,连接到power gnd(即大信号gnd);
b. 反馈信号应独立走到ic,反馈信号的gnd 与ic 的gnd 相连。
次级接地规则:
a. 输出小信号地与相连后,与输出电容的的负极相连;
b. 输出采样电阻的地要与基准源(tl431)的地相连。
5. pcb layout—实例
6、总结
本文详细介绍了反激变换器的设计步骤,以及pcb 设计时应当注意的事项,并采用软件仿真的方式验证了设计的合理性。同时,在附录部分,分别给出了峰值电流模式反激在ccm 模式和dcm 模式工作条件下的功率级传递函数。
附录:峰值电流模式功率级小信号
对ccm 模式反激,其控制到输出的传函为:
峰值电流模式的电流内环,本质上是一种数据采集系统,功率级传函由两部分hp(s)和hh(s)串联组成,其中
hh(s)为电流环电流采样形成的二阶采样环节(由ray ridley 提出):
其中:
上式中,po 为输出总功率,k 为误差放大器输出信号到电流比较器输入的衰减系数,vout1 为反馈主路输出电压,rs 为初级侧检流电阻,d 为变换器的占空比,n 为初级线圈np与主路反馈线圈ns1 的匝比,m 为初级电流上升斜率,ma 为斜坡补偿的补偿斜率,esr 为输出电容的等效串联电阻,cout 是输出电容之和。
注意:ccm 模式反激变换器,从控制到输出的传函,由公式 40 可知,有一个右半平面零点,它在提升幅值的同时,带来了90°的相位衰减,这个零点不是我们想要的,设计时应保证带宽频率不超过右半平面零点频率的1/3;由公式 41 可知,如果不加斜坡补偿(ma=0),当占空比超过50%时,电流环震荡,表现为驱动大小波,即次谐波震荡。因此,设计ccm 模式反激变换器时,需加斜坡补偿。
对dcm 模式反激,控制到输出的传函为:
其中:
vout1 为主路输出直流电压,k 为误差放大器输出信号到电流比较器输入的衰减系数,m为初级电流上升斜率,ma 为斜坡补偿的补偿斜率,idspeak 为给定条件下初级峰值电流。
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