第7章 RCC电源变压器的设计

2020/2/16PWM/MOS复合单片TOPSwitchⅡ概述TOPSwitch器件是美国功率集成公司（POWERIntegrationsInc），于90年代中期推出的新型高频开关电源芯片。它是三端脱线式PWM开关的英文缩写（ThreeterminalofflinePWMSwitch）。它的特点是将高频开关电源中的PWM控制器和MOSFET功率开关管集成在同一芯片上，是一种二合一器件。这大大简化了电源电路，提高了可靠性，使得电源的设计更加简单快捷。2020/2/16TOPSwitchⅡ原理TOPSwitch器件有多种封装形式，采用DIP－8和SMD－8封装的，中间4只为空脚，可以将它们接到印刷电路板的铜箔上，将芯片产生的热量直接传到印刷电路板上，不必另设散热器，节省了成本。采用TO220封装的，只有3只管脚，使用起来就和一只大功率三极管一样便利。此外由于PWM控制器和MOSFET功率开关管是在管壳内连接的，连线极短，这就消除了高频辐射现象，改善了电源的电磁兼容性能，减小了器件对电路板布局和输入总线瞬变的要求。TOPSwitch－II是TOPSwitch的改进型号，它将单电压输入时的最大功率100W提高到150W，电磁兼容性也得到增强，该器件具有更高的性能价格比。TOPSwitch－II器件包括TOP225－TOP227等几个型号，主要差别就在于输出功率的不同。TOPSwitchII。2020/2/16TOPSwitchⅡ内部框图2020/2/16TOPSwitch－Ⅱ的产品分类及最大输出功率POM2020/2/16TOPSwitchⅡ主要特性常用的有TO-220封装2PIN，也有DIP8封装形式的；固定集成100KHz脉宽调制；工作原理：内部输出MOS管占空比是随着输出控制脚的电流增加而线形地减小，来完成控制、偏置和保护；2020/2/16RCC电源的特点电路结构简单，造价低廉；自激振荡动作，控制电路无需辅助电源；外部条件的改变会引起工作频率较大的变化；功率转换效率较低，不适合大功率；噪声集中在低频段。2020/2/16RCC电源原理图2020/2/16RCC变换器电路原理与应用1开关电源的自激振荡状态220V市电压整流滤波电路产生的300V直流电压分两路输出：一路通过开关压器T1初级绕组加到开关管Q1的漏极（D极）；另一路通过启动电阻R1加到开关管Q1栅极（G极），使Q1导通。开关管Q1导通后，其集成电极流在开关变压器T1初级组上产生1正、2负的感应电动势。由于互感，T1正反馈绕组相应产生3正、4负的感应电动势。于是T1的3脚上的正脉冲电压通过C1、R4加到Q1的G极与源极（S极）之间，使Q1漏极电流进一步增大，于是开关管Q1在正反馈雪崩过程的作用下，迅速进入饱和状态。2020/2/16RCC变换器电路原理与应用2开关管Q1在饱和期间，开关变压器T1次级绕组所接的整流滤波电路因感应电动势反相而截止，于是电能便以磁能的方式存储在T1初级绕组内部。由于正反馈雪崩过程时间极短，定时电容C1来不及充电（等效于短路）。在Q2进入饱和状态后，正反馈绕组上的感应电压对C1充电，随着C1充电的不断进行，其两端电位差升高。于是Q1的导通回路被切断，使Q1退出饱和状态。2020/2/16RCC变换器电路原理与应用3开关管Q1退出饱和状态后，其内阻增大，导致漏极电流进一步下降。由于电感中的电流不能突变，于是开关变压器T1各个绕组的感应电动势反相，正反馈绕组3端负的脉冲电压与定时电容C1所充的电压叠加后，使Q1迅速截止。2020/2/16RCC变换器电路原理与应用4开关管Q1在截止期间，定时电容C1放电，以便为下一个正反馈电压（驱动电压）提供电路，保证开关管Q1能够再次进入饱和状态。同时，开关变压器T1初级绕组存储的能量耦合到次级绕组并通过整流管整流后，向滤波电容提供能量。2020/2/16RCC变换器电路原理与应用5当初级绕组的能量下降到一定值时，根据电感中的电流不能突变的原理，初级绕组便产生一个反向电动势，以抵抗电流的下降，该电流在T1初级绕组产生1正、2负的感应电动势。T1的3脚感生和正脉冲电压通过正反馈回路，使开关管Q1又重新导通。因此，开关电源电路便工作在自激振荡状态。2020/2/16RCC变换器电路原理与应用6通过以上介绍可知，在自激振荡状态，开关管的导通时间由定时电容C1充电时间决定；开关管截止时间，由C1放电时间决定。在开关管Q1截止期间，开关变压器T1初级绕组存储的能量经次级绕组的耦合，二极管整流供负载。2020/2/16RCC的简单示意图2020/2/16电路中Q2的作用？本电路中Q2主要起什么做用呢？它的作用是：若开关管Q1的漏极电流使R3上的电压将Vr3超过Q2的Vbe，则Q2导通，从而构成Q1栅极电流分支，并起到限制Q1的漏极电流过高的稳流作用。2020/2/16变压器参数的计算变压器在设计时一般先取RCC电路的振荡频率和晶体管工作的占空比。有经验的工程师一般取f为20~40KHz；D为0.5左右，η为0.6~0.8。变压器的初级峰值电流：一般初级峰值电流为电源输入电流平均值的4倍，输出峰值电流也为额定输出电流的4倍，所以：Ip=4×Po/（Vinmin×η）这里的,Po：输出功率，W；Vinmin：输入最小电压，V；η：变压器的效率，这里取0.6。2020/2/16变压器的初级/次级电感量变压器初级电感量为：Lp=（Vinmin/Ip）×Ton这里的，Vinmin：输出的最小电压，V；Ton：变压器的导通时间，S。变压器次级电感量为：Iop=4×IoLs=（Vo+Vf）×Toff/Iop这里的，Vo：输出电压的额定值，V；Vf：输出整流管压降，V；2020/2/16变压器初级绕组计算初级绕组Np的计算：Np=（Vin×Ton）×108/ΔB×Ae这里的，Vinmin：为电源电压，V；Ton：变压器的导通时间，S；ΔB：磁芯的磁通密度，mT；Ae：磁芯的有效截面积，cm2。2020/2/16次级绕组的计算次级绕组Ns的计算：Ns=[√Po（Vo+Vf）/η×Vinmin2×Io]×Np一般更多的使用：Ns=√（Ls/Lp）×Np这里的，Po：输出的总功率，W；Vf：整流管的压降，V；η：变压器的效率；Vinmin：最小输入电压，V；Io：输出电流，A。2020/2/16变压器的气隙计算变压器的气隙为：Lg=4×3.14×Ae×Np2×10-8/Lp这里的，Ae：变压器磁心有效截面积，cm2；2020/2/16现场作业题设计一款变压器：1、输入：AC90~265V；采用RCC变压器；2、12V，0.4A；5V，0.015A（辅助绕组的供电）；3、d=4/mm2；f=25KHz；Ae=0.41cm（EI22磁心）；η=0.6；D=0.5；ΔB=2800mT(在后面有设计参考)