高效率开关电源设计7

5.5.有源箝位变换器的设计实例有源箝位变换器的设计实例优点优点11、在整个输入电压范围内箝位主开关电压接近恒、在整个输入电压范围内箝位主开关电压接近恒值，因而减小了主开关的应力。值，因而减小了主开关的应力。22、提供有源通道以循环变压器中的漏感和激磁电、提供有源通道以循环变压器中的漏感和激磁电感能量，改进功率变换效率。感能量，改进功率变换效率。33、正激变换器的变压器铁心在箝位期间的复位可、正激变换器的变压器铁心在箝位期间的复位可使变压器工作在使变压器工作在BHBH曲线的第一和第三象限以获得曲线的第一和第三象限以获得更高的磁利用率。更高的磁利用率。44、对于宽的输入电压范围，可以有更高的占空比、对于宽的输入电压范围，可以有更高的占空比并增加变压器初并增加变压器初//次级的匝比。减小了初级侧元件次级的匝比。减小了初级侧元件的电流应力和次级侧元件的电压应力，导致了更的电流应力和次级侧元件的电压应力，导致了更低的工作损耗。低的工作损耗。55、如果激磁电路能量充足，主开关的零电压开关、如果激磁电路能量充足，主开关的零电压开关是可能的。是可能的。66、允许更高的工作频率以获得更高的功率密度并、允许更高的工作频率以获得更高的功率密度并减小产品体积。减小产品体积。有源箝位电路有源箝位电路有源箝位由附加的箝位开关和箝位电容构有源箝位由附加的箝位开关和箝位电容构成，如图成，如图1(a)1(a)，箝位电容的一端与输入电源，箝位电容的一端与输入电源相连，基于为变压器提供伏相连，基于为变压器提供伏——秒平衡，箝秒平衡，箝位电容电压为：位电容电压为：有源箝位电路形式有源箝位电路形式有源箝位的箝位电压有源箝位的箝位电压反激式有源箝位的箝位电压：反激式有源箝位的箝位电压：VVclcl=V=VBUSBUS﹡﹡D/D/（（1-D1-D））升压性有源箝位的箝位电压：升压性有源箝位的箝位电压：VVclcl=V=VBUSBUS//（（1-D1-D））考虑开关管的耐压问题，在高直流母线电考虑开关管的耐压问题，在高直流母线电压时采用反激式有源箝位，但需要箝位开压时采用反激式有源箝位，但需要箝位开关管的高边驱动；关管的高边驱动；对于低直流母线电压是，采用升压性有源对于低直流母线电压是，采用升压性有源箝位电路简单。箝位电路简单。稳态分析稳态分析有源箝位变换器的工作可以用一个开关周有源箝位变换器的工作可以用一个开关周期的四种状态描述，为易于分析图期的四种状态描述，为易于分析图33电路表电路表示了电路的全部元件，其中变压器初级由示了电路的全部元件，其中变压器初级由激磁电感激磁电感LL、漏感、漏感LL和理想变压器等效，和理想变压器等效，CACA是是AA端的端的Q1Q1、、Q2Q2的等效结电容和附加电容。的等效结电容和附加电容。有源箝位的等效电路有源箝位的等效电路各阶段电路的等效电路各阶段电路的等效电路状态状态11：主开关导通：主开关导通状态状态11：主开关导通：主开关导通Q1Q1导通期间，电路工作状态如图导通期间，电路工作状态如图4(a)4(a)，其中：，其中：ilil为变压器输入端电流，为变压器输入端电流，iclicl为箝位电容器上为箝位电容器上电流，电流，imim为变压器激磁电流，为变压器激磁电流，ipip为变压器次为变压器次级负载电流，由于级负载电流，由于CclCcl在前一个开关周期已在前一个开关周期已充电到充电到VclVcl值，因此值，因此Q2/D2Q2/D2反偏不导通，并反偏不导通，并将将CclCcl与电路隔离。这期间流进变压器的电与电路隔离。这期间流进变压器的电流包括激磁电流流包括激磁电流imim和输出电流和输出电流ipip，电路的各，电路的各状态如下：状态如下：状态状态11：主开关导通：主开关导通iipp=I=IOO/N/N，，Q1Q1导通、导通、Q2/D2Q2/D2关断，关断，ii11==iimm+I+IOO/N/N，，iiclcl=0=0，，VA=0VA=0，，vvp1p1≈≈VVBUSBUS，，iimm：：从从--ImIm到到++ImIm。。状态状态22：初级电流转换到箝位电路：初级电流转换到箝位电路状态状态22：初级电流转换到箝位电路：初级电流转换到箝位电路在这个状态下主开关关断，如图在这个状态下主开关关断，如图4(b)4(b)，，CACA点电压由漏感、激磁电感中的电流放电到点电压由漏感、激磁电感中的电流放电到VVBUSBUS+V+Vclcl，，CACA点电压超过这个值，点电压超过这个值，D2D2导通导通并箝位并箝位CACA点电压在点电压在VVBUSBUS+V+Vclcl值，从而避免值，从而避免了主开关上的过电压。了主开关上的过电压。iipp从从IIOO/N/N到到00，，Q1Q1关关断，断，Q2Q2、、D2D2导通，导通，iill==iimm++iipp，，iiclcl=0=0，从，从00到到VVBUSBUS+V+Vclcl，，vp1vp1从约从约VBUSVBUS到到--VVclcl，，vvclcl=V=VBUSBUS﹡﹡D/D/（（1-D1-D）），约为，约为++IImm。。状态状态33：箝位电路工作：箝位电路工作状态状态33：箝位电路工作：箝位电路工作如图如图4(c)4(c)，一旦箝位开关的体二极管导通，，一旦箝位开关的体二极管导通，箝位开关箝位开关Q2Q2就可以在零电压状态下导通，就可以在零电压状态下导通，提供了漏感、激磁电感上的能量通道到箝提供了漏感、激磁电感上的能量通道到箝位电容，而后再返回到漏感、激磁电感，位电容，而后再返回到漏感、激磁电感，后面的过程在个开关周期的相同的时间内后面的过程在个开关周期的相同的时间内重复。重复。IIpp=0=0，，Q1Q1关断，关断，Q2Q2、、D2D2导通，导通，iill==iimm==iiclcl，，iiclcl=0=0，，VA=VA=VVclcl++vvclcl，，vvplpl=-=-VVclcl，，vvclcl==VVclcl±±ΔΔVV：：iimm从从++IImm到到--IImm。。状态状态44：初级电流转换到主开关：初级电流转换到主开关状态状态44：初级电流转换到主开关：初级电流转换到主开关如图如图4(d)4(d)，，Q2Q2关断，箝位电容关断，箝位电容CC终止充电，终止充电，漏感、激磁电感的能量释放到漏感、激磁电感的能量释放到CACA并在主开并在主开关关Q1Q1导通前降到低电压，这样可以使主开导通前降到低电压，这样可以使主开关在零电压开通。关在零电压开通。状态状态22到状态到状态44的转移时间由电路参数的选的转移时间由电路参数的选择和工作条件决定，这要求一个可设置一择和工作条件决定，这要求一个可设置一个开关导通另一个开关关断之间的延时的个开关导通另一个开关关断之间的延时的控制器适应这些瞬变。控制器适应这些瞬变。设计实例设计实例ONSemiONSemi的的300W300W电脑电源评估电路电脑电源评估电路基本性能要求基本性能要求基本性能要求基本性能要求基本要求要求基本要求要求效率与负载的关系效率与负载的关系功率因数与负载的关系功率因数与负载的关系轻负载时的负载与效率的关系轻负载时的负载与效率的关系各类负载条件各类负载条件各类负载条件下的各类负载条件下的5V5V输出电压变化输出电压变化各类负载条件下的各类负载条件下的3.3V3.3V输出电压变化输出电压变化各类负载条件下的各类负载条件下的12V12V输出电压变化输出电压变化各类负载条件下的各类负载条件下的-12V-12V输出电压变化输出电压变化5V5V输出卸载的测试波形输出卸载的测试波形5V5V输出加载的测试波形输出加载的测试波形12V12V（（V1V1）输出卸载的测试波形）输出卸载的测试波形12V12V（（V1V1）输出加载的测试波形）输出加载的测试波形12V12V（（V2V2）输出卸载的测试波形）输出卸载的测试波形12V12V（（V2V2）输出加载的测试波形）输出加载的测试波形3.3V3.3V输出卸载的测试波形输出卸载的测试波形3.3V3.3V输出加载的测试波形输出加载的测试波形5V5V满载的纹波电压满载的纹波电压3.3V3.3V满载的纹波电压满载的纹波电压12V12V（（V1V1）满载的纹波电压）满载的纹波电压12V12V（（V2V2）满载的纹波电压）满载的纹波电压-12V-12V满载的纹波电压满载的纹波电压5V5V待机电源满载纹波电压待机电源满载纹波电压满载时掉电的保持时间满载时掉电的保持时间输入浪涌电流输入浪涌电流样机图片样机图片开关管电压波形开关管电压波形开关管电压波形开关管电压波形功率因数校正控制电路板功率因数校正控制电路板电源滤波器电路板电源滤波器电路板有源箝位控制电路板有源箝位控制电路板3.3V3.3V输出控制电路板输出控制电路板输入整流器、输入整流器、PFCPFC主电路、待机电源主电路、待机电源有源箝位与输出整流部分有源箝位与输出整流部分3.3V3.3V输出整流电路部分输出整流电路部分PFCPFC电感电感4A4A有效值、有效值、6A6A峰值、峰值、600600μμHH；；磁芯：磁芯：PQ3230PQ3230，气隙：，气隙：1.9mm1.9mm骨架：骨架：PCPC-B3230-B3230（（1212管脚）管脚）电感量：电感量：550~650550~650μμHH；；匝数：匝数：7474匝、匝、2626号线号线44股并饶；股并饶；待机电源变压器待机电源变压器开关频率：开关频率：65kHz65kHz；；磁芯：磁芯：E25/10/6E25/10/6；；气隙：气隙：0.25mm0.25mm；；电感量：电感量：2.5~2.8mH2.5~2.8mH；；骨架：骨架：E24-25PCB-10E24-25PCB-10待机电源变压器待机电源变压器初级：初级：105105匝、匝、3232号线、绕三层；号线、绕三层；次级次级30V30V输出：输出：2929匝、匝、3030号线、绕一层；号线、绕一层；次级次级5V5V输出：输出：55匝、匝、2222号三重绝缘线；号三重绝缘线；待机电源变压器待机电源变压器输出滤波电感输出滤波电感磁芯：磁芯：PQ3230PQ3230；；气隙：气隙：0.5mm0.5mm（全部位于芯柱）；（全部位于芯柱）；5V5V绕组电感：绕组电感：1.61.6μμHH，，22匝；匝；12V12V绕组电感：绕组电感：1010μμHH，，55匝；匝；输出滤波电感绕组结构输出滤波电感绕组结构3.3V3.3V输出滤波电感输出滤波电感3.3V/18A3.3V/18A；；磁芯：磁芯：E25/10/6E25/10/6；；气隙：气隙：0.5mm0.5mm电感量：电感量：44μμHH±±0.50.5μμHH；；匝数：匝数：663.3V3.3V电感结构电感结构主变压器主变压器磁芯：磁芯：PQ3230PQ3230；；电感量：电感量：550~650550~650μμHH，通过调节气隙实，通过调节气隙实现；现；