RCC电源设计精讲 POWERANTS

专业电子/电源技术论坛共29页第1页目录摘要ABSTRACT绪论第一章．RCC电路基础简介1.1RCC电路工作原理1.2RCC电路的稳压问题1.3RCC电路占空比的计算1.4RCC电路振荡频率的计算1.5RCC电路变压器的设计第二章．简易RCC基极驱动的缺点及改进设计2.1简易RCC电路的缺点2.2开关晶体管恒流驱动的设计第三章．RCC电路的建模及仿真3.1RCC电路的建模及参数设计3.1.1主要技术指标3.1.2变压器的设计3.1.3电压控制电路的设计3.1.4驱动电路的设计3.1.5副边电容、二极管参数的设计共29页第2页3.1.6其他辅助电路的设计3.2RCC电路的仿真3.2.1RCC电路带额定负载时的仿真及设计标准的验证3.2.2RCC电路带轻载时的仿真3.3RCC电路的改进及改进后的仿真3.3.1RCC电路的恒流设计3.3.2带有恒流源的RCC电路的仿真第四章RCC电路间歇振荡的应用实例4.1三星S10型放像机中的RCC型开关电源共29页第3页RCC电路间歇振荡现象的研究摘要：RCC变换器通常是指自振式反激变换器。它是由较少的几个器件就可以组成的高效电路，已经广泛用于小功率电路离线工作状态。由于控制电路能够与少量分立元件一起工作而不会出现差错，所以电路的总的花费要比普通的PWM反激逆变器低。一方面，当其控制电流过高时就会出现一种间歇振荡现象，从而使得电路的振荡周期在很大范围内变化，类如例如从数百赫兹到数千赫兹之间变化，因而在较大功率输出时将引起变压器等产生异常的噪音，所以需要抑制这种现象的产生。另一方面，当电路的输出功率输出较小时，却可以利用这种间歇振荡，使开关电路处于低能耗状态。当需要电路工作时，只需给电路一个信号脉冲即可。电路本文主要通过实验仿真的方法在RCC电路中加入某些特定的电路从而达到抑制消除这种间歇振荡，同时还简要阐述一些利用间歇振荡的例子。Abstract：Theself-oscillatingflybackconverter,oftenreferredtoastheringingchokeconverter(RCC),isarobust,lowcomponent-countcircuitthathasbeenwidelyusedinlowpoweroff-lineapplications.Sincethecontrolofthecircuitcanbeimplementedwithveryfewdiscretecomponentswithoutlossofperformance,theoverallcostofthecircuitisgenerallylowerthantheconventionalPWMflybackconverterthatemploysacommerciallyavailableintegratedcontrol.共29页第4页引言目前采用的大多数开关电源，无论是自激式还是它激式，其电路均为由PWM系统控的稳压电路。在此类开关电源中，开关管总是周期性的通/断，PWM系统只是改变每个周期的脉冲宽度。PWM系统控制是连续的控制。非周期性开关电源则不同，其脉冲控制过程并非线性连续变化，而只有两种状态:当开关电源输出电压超过额定值时，脉冲控制器输出低电平，开关管截止;当开关电源输出电压低于额定值时，脉冲控制器输出高电平，开关管导通。当负载电流减小时，滤波电容放电时间延长，输出电压不会决速降低，开关管处于截止状态，直到输出电压降低到额定值以下，开关管才再次导通。开关管的截止时间取决于负载电流的大小。开关管的导通/截止由电平开关从输出电压取样进行控制，因此这种非周期性开关电源极适合向间断性负载或变化较大的负载供电。初期的非周期性开关电源均采用它激式电路结构，由运算放大器组成电压比较器，将输出的取样电压变成控制电平，控制它激式振荡器的输出脉冲。当输出电压维持额定电压时比较器输出高电平，振荡器关断输出脉冲，使开关管截止。当输出电压降低时，比较器输出低电平，振荡器输出脉冲，使开关管导通。非周期性开关电源进人家用电器以后，为了简化电路，大多数采用自激振荡方式，直接采用稳压管作为电平开关。由于其控制过程为振荡状态和抑制状态(或称阻塞状态)的时间比，因此称为振荡抑制型变换器(RINGINGCHOKECONVERTER，简称RCC型开关稳压器)。在电路上的明显区别是:PWM开关电源由独立的取样误差放大器和直流放大器组成脉宽调制系统;RCC型电源只是由稳压管组成电平开关，控制开关管的通/断。反激式自激变换器就是我们通常所指的RCC（RingingChokeConverter）电路，变压器（储能电感）的工作模式处于临界连续状态，可以方便的实现电流型控制，在结构上是单极点系统，容易得到快速稳定的响应，广泛应用于50W以下的开关电源中。由于要维持临界连续模式，并且变压器原边电流上升受输入电压影响，因此开关工作频率受输入电压和输出电流的影响，占空比也受输入电压的影响。在输入电压最高和空载时，工作频率最高。也正是因为工作频率波动较大，滤波电路的设计也相应较难。相对于它的缺点，RCC电流的优势也比较突出。首先是电路结构简单，只需要少数分离原件就可以得到需专用芯片才能实现的电压输出性能，通过良好的设计就可以获得高效和可靠的工作。其次，许多与驱动有关的困难（驱动波形、变压器饱和等）在自激变换器中得到很好的解决。而且，由于总是工作于完全能量传递模式，副边整流二极管正向导通电流到零，反向恢复电流和损耗很小，产生的振铃相对于不完全能量传递模式也要小很多，因此输出的高频杂音也要小很多。另外，原边主管开通始终是零电流，因此效率较高。早期的RCC变换器只适用于小功率100W以下的开关电源。近年来，随着研究的深入，改进后的RCC电路解决了交叉导通和变压器饱和等许多棘手问题，其廉价、高效、可靠的共29页第5页性能备受人们青睐。它的工作形式是完全能量传递型，用电流容易实现。在结构上是单极点系统，容易得到快速稳定的响应。为了减少传统RCC变换器存在的开关损耗，提高效率，增大其输入电压的适应范围，改进型RCC电路加入了恒流激励以及延迟导通电路。由于增加了恒流激励以及延迟导通电路，其振荡分析与传统的RCC变换器有些不同，虽然其电路比较复杂，但其性能大有改善，能在DC127V—DC396V范围内正常工作，可提供250W以上功率，其性价比大有提高。基于以上特点，RCC电路在低成本高性能电源设备中广泛应用，例如低压小功率模块、家用电气、手机充电器等。共29页第6页第一章RCC电路基础简介1.1RCC电路工作原理图1.1.1RCC工作基本原理图下面说明实际应用中RCC电路的工作过程。图1.1.1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：（1）、忽略变压器漏感对主管1rT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2C上的电压保持不变；（4）、稳态时电阻gR的作用可以忽略。1.1.1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1rT的基极，1rT导通，gi称为起动电流。在RCC方式中，晶体管1rT的集电极Ic必然由零开始逐渐增加，如图1.1.2所示。因此gi应尽量小一点。共29页第7页图1.1.2晶体管的电流波形此时变压器的次级绕组sN处于短路状态，从输入一侧看来，电流全部流进pN线圈，电阻gR称为起动电阻。1.1.2开关晶体管处于ON状态时一旦1Tr进入ON状态，输入电压inV将加在变压器的初级绕组pN上。由在数比可知，基极线圈BN上产生的电压BN为(/)BBPINVNNV=该电压与1Tr导通极性相同，因此BV将维持1Tr的导通状态，此时基极电流BI是连续的稳定电流。设晶体管1Tr的基极—发射极间的电压1BEV,二极管2D的正向电压为2FV,则BI可表示为21(/)()BPINFBEBBNNVVVIR−+=但是，从图1.1.3可知，1Tr的集电极电流CI为一次单调增函数，经过某一断时间ont后达到CI，集电极电流与直流电流放大倍数FEh之间将呈现如下关系：(/)FECBhII≤即在上述公式成立的条件下1Tr才能维持ON状态。在基极电流不足的区域，集电极电压由共29页第8页饱和区域向不饱和区域的转移。于是，PN线圈的电压下降，导致BN线圈的感应电压也随之降低，基极电流BI进一步减小。图1.1.3RCC方式的开关动作因此1Tr的基极电流不足状态不断加深，1Tr迅速转至OFF状态。1.1.3晶体管处于OFF状态时如果晶体管处于OFF状态，变压器各个绕组将产生反向电动势，次级绕组使4D导通，电流2i流过负载，经过某一时间offt后，变压器能量释放完毕，电流2i变为0.但是，此时SN绕组上还有极少量残留的能量，这部分能量再一次返回，使基极绕组BN产生电压，1Tr再次ON，晶体管继续重复前面的开关动作。图1.1.4给出各个部分的动作波形。共29页第9页图1.1.4RCC方式的动作波形1.2输出电压OV稳定的问题RCC方式的稳压器是通过反向电动势使次级的二极管导通向负载提供功率的。因此，单位时间内变压器存储的能量与输出功率相等，设变压器初级电感为PL,有211()2INPonOOVLtfVIL=ggggg因此，欲使输出电压OV稳定，频率f最好随晶体管的ON时间变化而变化。共29页第10页图1.2.1所示，要使晶体管OFF，对于集电极电流而言，只要基极电流不足即可，既然如此，那么只要阻止来自变压器BV的驱动电流流过1Tr的基极，让它从旁路流过即可。这就是连接稳压二极管的目的。图1.2.1RCC方式稳压原理图ZD的阳极与电容器2C的阴极相连。在1TrOFF期间，BN线圈通过导通的3D为2C充电，2C的电压变为负电压，2C的电压CV为：CZBEVVV=−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1TrOFF。经过一段时间后，由于输出电压上升，那么图1中2C的端电压CV也随输出电压OV成正比上升。即在1Tr的OFF期间内，变压器存储的能量向负载释放，即使存在负电源，32DC→的充电电流和次级电流SI也会同时流动。此间BN线圈和SN线圈的电压值分别与匝数比成正比,即43()BCOFFSNVVVVN=+−式中：3FV、4FV分别为3D、4D的正向电压降。反之也可改变CV使OV随之改变。假设CV的端电压上升，那么与阴极相连的齐纳二极管ZD导通，于是1Tr的BI流过旁路ZD，基极中没有电流。因此，此时1TrOFF。从电压之间的关系来分析，ZD的齐纳电压ZV为：ZCBEVVV=+因此由ZV与/SBNN即可确定输出电压OV。即输出电压为34()SOZBFFBNVVVVVN=−+−g共29页第11页若忽略BEV、4FV和3FV，则OV与ZV成正比，且输出电压的精度有电压ZV的精度确定1.3振荡占空比的计算为了能更好地掌握RCC方式的工作原理，下面推导占空比D的计算公式。在图6中，设流过初级绕组PN的电流为1i，变压器的电感PL，则有11pVitL=g图1.3.1等价电路当ontt=时，电流取得最大值1pi：11ponpVitL=再由变压器的基本原理，求得次级电路的最大电流值2pi为：121PPpponSSpNNViitNNL==gg次级电流从2pi开始以2SVL的比率减小，因而，求得其瞬间值为:122PonSpSNVVittNLL=−gg这里RCC方式的初始条件为2,0offtti==，则有120PonoffSpSNVVttNLL−=gg共29页第12页将1pi式中的ont带入上式，求得offt为：111212SSPPPoffppSpSLLNVLNtiiNLVVNV==gggggg于是求得占空比D为:112211112PpPonSPPonoffPSppSLiVVLtDLLNttVLVLiiVNV⎛⎞⎜⎟⎝⎠===+⎛