狠经典RCC电路分析变压器计算

一种自激式反激变换器的分析和设计顾元强，尹斌，吴海新，王先永河海大学电气工程学院，南京(210098)E-mail:[e-mail]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（ringingchokeconverter），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。*Vin*RsLsQ1LpR1RgC2DZ0D2Rb0VzD3C3*D1LbC1图1RCC基本电路图下面分析其工作过程[1]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(/)BBPINVNNV=，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BI是连续的稳定电流，1(/)()BPINDBEBBNNVVVIR−+=（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，/CINPIVtL=∗。随着CI的增加，当BICFEIh≥∗时，晶体管退出饱和状态，CEV随之增大，变压器一次绕组电压下降，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。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，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12*PPPSININ∗=知导通瞬间电流21*/PPPSIINN=。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2SODVVV=+，二极管电流以/SSVL的速率下降，同时变压器电感中储存的能量供给输出端。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1QOFF期间，BN线圈通充电，3C的电压变为负电压，ZD的齐纳电压ZV为：ZCBEVVV=+，如果输出电压上升，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1QOFF。此间BN线圈和SN线圈的电压值分别与匝数成正比,即23()BCODDSNVVVVN=+−，反之也可改变CV使OV随之改变。因此由ZV、/SBNN即可确定输出电压OV。即输出电压为32()SOZBEDDBNVVVVVN=−+−i，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：(min)INV＝220×（1-10%）×2×0.9＝252V变压器电感及匝数的计算：1()1(min)2222431.900.40.75252aveOpINiPiADDVη××====××PN线圈的电感PL为：(min)612528101.061.90INPonPVLtmHi−==××=次级线圈电压：2240.724.7SODVVVV=+=+=由变压器的伏秒平衡可得：(min)(1)PINSSNVDTVDTN=−从而得到匝数比：(min)2520.46.8(1)24.70.6INPPSSSVDNNNVD×====−×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：(min)8825281010104928001.48INonPeVtNBA−××=×=×=∆×i二次线圈匝数：/49/6.87.2SPPSNNN===取8匝。基极绕组匝数BN：设最低输入电压BV=6V，6491.17252BN=×=取1匝变压器间隙：2288g31.4849l4104100.421.0610ePPANmmLππ−−−×=×=×=×ii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'124.73.18BBSSNVVVN==×=i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()*24.76.824820.9484CESPSINMAXVVNVV=+=×+××=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。设1.9CIA=时，考虑一定的余裕，FEh取10，必须的基极电流BI约为0.19A。于是基极电阻BR为：1()(1/49)252(0.70.7)270.19BBEDBBVVVRI−+×−+===Ω起动电流有1mA就足够了，因此起动电阻为：(min)/252/.001252gINgRVik===Ω，实际取240k.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OrCADPSpice9.2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）。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(2423.95)/240.2%e=−=,满足设计要求。5.总结本文对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。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]BrianT.IrvingandMilanM.Jovanović.AnalysisandDesignofSelf-OscillatingFlybackConverter[J],IEEEAppliedPowerElectronicsConf.(APEC)Proc.,pp.897-903,March2002.PrincipleandDesignofSelf-OscillatingflybackconverterGuYuanqiang,YinBin,WuHaixin,WangXianyongCollegeofElectricalEngineering,HohaiUniversity,Nanjing(210098)AbstractTheself-oscillatingflybackconverter(oftenreferredtoasRCC)iswidelyusedinlow-powerregulatedswitchingpowersupplyduetoitssimplicityandlowcomponentcount.ThispaperpresentsadetailedprincipleanalysisanddesignguidelinesofRCC.Keywords:RCC,self-oscillating,flybackconverter