第二章 单端反激 TOPswitch

第二章单端反激式开关稳压电源§2.1基本工作原理§2.2TOPSwitch组成单端反激式开关电源的设计流程§2.3参数分析与计算公式§2.4变压器的设计方法与绝缘特性§2.1基本工作原理一、电路结构电感储能式变换器二、副边电流的三种工作状态：1、2、3、令is=0,可求出临界状态的关断时间:1、2、TLRtEVPLON20TLtEPRVPPONINL222200TLtEILTTWPPONPPLIN22112222SsfILdENN022122)(3、三、三种工作模式：1）根据二次侧电感电流的最小值是否大于输出电流：完全电感供电模式（CISM）不完全电感供电模式（IISM）二次侧临界电感012022122)(2)(2)1(VENNfVENNRfddRLLLSk2）根据二次侧电感电流的最小值是否为零：电感电流连续模式（CCM）电感电流不连续模式（DCM）二次侧临界电感201222122)(2)(2)1(VENNfENNRfddRLLLSC故而三种模式为：（1）完全电感供能模式（CISM）二次侧电流最小值（2）不完全电感供能且连续导电模式（IISM-CCM）二次侧电流最小值（3）不完全电感供能且段续导电模式（IISM-DCM）二次侧电流最小值01IIS010SII01SI0I四、磁通复位（单端变换器的设计原则）OFFOSPONtVNNtEOFFOSPONtVNNtEEttVNNOFFONOSP即DDNNVEttNNVSPOOFFONSPO1:也有从上面关系式看出，电流为连续状态时，输出电压与负载电阻大小无关，于是可以得到临界截止时间：LPOONRTLEVt2LPPSONPOSOFFRTLNNtNVENt2电流为连续状态时，原边输入功率为：]2[)(1101PONPONtPPINLEtITEtdttLEIETPON则有：]21[2221PLOFFPSONPLRtNTNEtI§2.2TOPSwitch组成单端反激电源的设计流程一、TOPSwitch器件TOPSwitch(Three-terminalOff-linePWMSwitch)三端脱线式开关。内部具有：高压Ｎ沟道MOSFET、电压型PWM控制器、100KHz高频振荡器、高压启动偏置电路、基准电压、用于环路补偿的并联偏置调整器、误差放大器和故障保护功能模块，包含所有模拟和数字控制电路，能完成隔离变压、调压稳压、自动保护等功能。其开关频率高达100kHz，故而可缩小变压器尺寸，且储能元件更小。其高度集成化使得设计任务大大简化TOPSwitch－II的性能改进：TOPSwitch组成的反激式开关稳压电源基本电路TOPSwitch的反馈电路：受光耦器件控制类型TOPSwitch的反馈电路：偏置绕组只接阻容（或再串二极管）二、TOPSwitch组成的电源的设计流程1）根据用户要求，确定电源的基本指标，和相应的反馈电路结构：指标较高者选用光耦反馈控制电路，指标较低者可选择反馈绕组直接阻容（或再串联稳压二极管）；2）选择足够的最小功率规格TOPSwitch—IC器件；3）根据已选的TOPSwitch器件，设计最小号的主功率变压器；4）合理选择其他所有外部元器件参数；TOPSwitch适用于100kHz频率下的5-10W、20-60W中小功率稳压电源。三、设计具体过程步骤1：根据用户要求，确定设计电源的电网交流输入电压值，有三种典型类别：一是输入为100-115VAC，二是输入为通用范围85-265VAC，三是输入为230VAC。此三种类型的交流输入电压对应的：交流电压最大值VACMAX和最小值VACMIN；对应的整流后变换器输入端直流电压VDCMAX和VDCMIN；不同直流输入相应的原边反射电压VOR、原边齐纳二极管箝位电压VCLO。根据最小直流输入电压VDCMIN和原边反射电压VOR，来确定DMAX，且VDS=10V步骤2：根据设计电源要求的输出电源稳定精确度、负载电流变化率、电网电压变化的调整率来确定反馈传感电路的结构和偏置电压值；步骤3：根据不同的电网输入电压条件，按连续工作状态与非连续工作状态的原边电流比例因数KRP=（IR/IP），也即原边脉动电流与峰值电流之比。开始选用从最小值选起。步骤4：选择功率容量足够的最小型号的TOPSwitch，从尽可能小的三端TOPSwitch工作电流开始考虑选择。PLIMITDSIII最小值9.0当有必要时，应选择功率容量较大型号的器件。对照要求的峰值电流IP来检验所选TOPSwitch的最小限制电流ILIMIT，可增大电流比例因数，直到KRP=1.0，或取，反复调节。最小值LIMITPII9.0步骤5：计算变压器原边电感LP，设置变压器原边绕组匝数的绕制层数，确定副边匝数NS，计算原副边绕组匝数NP和偏置为绕组匝数NR。步骤6：确定副边的参数ISP，ISRMS，IRIPPLE，DIAS，ODS步骤7：确定副边绕组最大峰值反向电压PIVS(V)，确定偏置绕组最大峰值反向电压PIVB(V)步骤8：根据电网交流输入电压和箝位齐纳电压VCLO，合理选用接在原边绕组与MOSFET漏极间的齐纳二极管与阻断二极管。步骤9：选用输出整流器的二极管；步骤10：按输出电流脉动值IRIPPLE，选用输出电容器；选择偏置电路整流器二极管；若输出电压未限制在规定范围内，增设输出LC滤波器；§2.3参数分析与计算公式根据上节设计步骤进一步分析和展开，深入讨论反激式开关稳压电源的逐步设计方法和主要步骤分解。（1）确定电源要求的等，确定输入电容量CIN和最小直流输入电压VMIN。VDCMIN和VDCMAC均取决于交流输入电压、桥式整流器及储能电容量CIN的大小。在tc内，电容被充电；在交流输入电压的峰值之间的放电期间，CIN提供所有的原边平均电流。（2）确定反射输出电压VOR和箝位齐纳电压VCLO变压器原边漏感储能引起的电压尖峰ORMAXDSVVV18721322ACMAXMAXVV905.1ORCLOVV1264.1CLOCLMVV20)5.14.1(ORMAXDRAINVVVVCLO齐纳管箝位电压，VCLM要高于规范的VCLO40％。考虑与齐纳管相串的二极管的正向恢复时间引起的尖峰电压，故增加20V的余额。TOPSwitch漏极最大电压：3501720)605.14.1(1872005.1ORCLOVV2804.1CLOCLMVV37522652ACMAXMAXVV7002520)1355.14.1(375虽然边界限制电压值较小，但作用不可忽视，以上将所有最坏情况的数值加在一起。（3）在低电网电压时，由VOR和VMIN确定最大占空比DMAX)(DSMINORORMAXVVVVD)(iOOMAXVnVnVDTOPSwitch导通时的漏源平均电压值假设VDS为零，实际考虑为10V%6090135135MAXD假设VDS为零，实际考虑为10VTOPSwitch漏极箝位与齐纳管、阻断管的选择：当MOSFET截止时，变压器的漏感将产生尖峰电压，该尖峰电压必须被箝位低于BVDSS，箝位电路由齐纳二极管VR1和阻断二极管D1组成；反向阻断管采用超快恢复高压整流管，其反向恢复时间应小于75ns，击穿电压值的选择为：TOP1××系列用400V，TOP2××系列用600V，；箝位齐纳管在瞬态或稳态时，必须有足够的控制能，其箝位电压大致高于反射输入电压VOR的1.5倍。对于TOP1××器件，VOR应取60V或小些；对于TOP2××器件VOR应取135V或小些；注意齐纳二极管的热阻抗和稳态功耗能力依赖于引脚导线的直径，它应当在0.037—0.043英寸之间。（4）设置脉动电流IR与峰值电流IP的电流比例因数KRPPRRPIIK在大多数连续工作状态下，对于电网为100-115VAC或者通用输入交流电压时，先取电流比例因数KRP＝0.4；在230VAC电网输入时，取KRP=0.6。当连续工作状态较少时，KRP会增加到较高值。按上述定义，KRP不会大于1.0，并且也不可能被设置在比0.4更小的数值。（5）确定原边波形参数IAVG、IP、IR、IRMS（6）根据TOPSwitch数据库中的最小电流限制ILIMIT和要求的IP值，来确定其型号。产品资料中的电流限制最小值ILIMIT是在室温下的，具有负温度系数，必须考虑ILIMIT在高温时下降10％来计算，并将其与数据库中的最小限制电流ILIMIT作比较，大于该ILIMIT数值的最小功率的TOPSwitch，应当作为最低功耗的首选器件。PLIMITII9.0（7）如果有必要减少功耗，可用较大的TOPSwitch来检验热温升限制。低电网输入电压时，TOPSwitch的导通损耗：)(2ONDSRMSIRRIP(100摄氏度高温)低电网电压条件下，TOPSwitch的开关损耗：SONMAXXTCXTfVVCP2)()2/1(是漏极的外部结电容。XTC由总损耗来计算结点温度：JACXTIRJPPCT)(25若,应当选用更大功率的TOPSwitch器件。CTJ100（8）确定原边绕组电感量LP)1()2/1(10260ZfKKIPLSRPRPRP脉动电流比峰值电流损耗分配因数，电源的效率，输出功率，::::0RPKZP610)(SRMAXDSMINPfIDVVL或原边绕组匝数NP：MAXMAXDDSMINSPDDVVVVNN10（检验电路测量LP的方法之一）TOPSwitch导通时，IP升到IR，变压器储能；器件截止时，与IR有关的储能增量提供给负载和副边损耗。Z为副边损耗与总损耗的比例值。如Z＝1，所有损耗都在副边；如Z＝0，所有损耗都在原边。如无更好信息，则取Z=0.5（9）副边绕组匝数NS、偏置绕组匝数NBSDBDBBNVVVVN0VO为输出电压、VD为输出二极管正向电压、NS为副边绕组匝数、VB为指标偏置电压、VBD为偏置二极管电压。SDORPNVVVN0副边绕组匝数NP可由反射电压电压VOR、副边输出电压VO、整流二极管正向电压VD来求得。副边峰值电流ISP：PSPSPINNI副边电流有效值ISRMS：)13()1(2RPRPMAXSPSRMSKKDII输出电容器的脉动电流IRIPPLE：（该参数并不是实际变压器的参数，但对于电容器的选取有用。）202IIISRMSRIPPLE其中，输出电流I0为输出功率P0与输出电压V0的比值。§2.2变压器的设计方法与绝缘特性一、变压器的参数设计变压器作用：既是变压器，又是储能元件；参数设计要求：（1）先求出原边绕组电感量Lp；（2）选择规格、尺寸合适的高频变压器磁芯；（3）再计算原边绕组匝数Np；TLRtEVPLON20TVREtLLONp20222TtDONLRVP2000222PTDELp（2）因为反激式变换器的功率通常较小，一般选用铁氧体磁芯最为变压器，其功率容量如下：（1）CmmSTQepKKBfPAAA2106根据计算出的Ap，选取余量稍大的磁芯即可。（3）)(1062rmePpQepBBAILAAN二、变压器的绝缘特性反激式变压器在原边与副边绕组之间必需有绝缘措施，通常在变压器原副边之间有5～6mm的漏电距离。在每个绝缘层的电气强度不满足规范要求时，在原副边之间采用两个绝缘层，一层是基本的，一层是补充的，若两个绝缘层组合仍不满足要求，可采用带增强层的三个绝缘层。（电气绝缘指标是指电气强度的测试，施加典型值3000VAC交流高压的时间长达60秒不被击穿。）