第二節(jié)　零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電流型控制反激式變換器

這個設(shè)計是關(guān)于傳統(tǒng)的電壓控制ZVS準(zhǔn)諧振變換器的改進(jìn)。通過將原有的無占空比限制的電流型控制IC改變成固定關(guān)斷時間、可控開通時間的電流型控制方式,可構(gòu)成ZVS拓?fù)洹４送?應(yīng)用諧振技術(shù)減少開關(guān)損耗的同時,還有過電流保護(hù)和電流型控制響應(yīng)的優(yōu)勢。雖然它的工作頻率可能不超過1MHz,但確實具備無開關(guān)損耗和低的EMI輻射的優(yōu)點,見圖3-4的電路圖。

一、技術(shù)指標(biāo)

輸入電壓范圍:DC18-32V,DC+24V(額定值)

輸出電壓與電流:DC+15V 0.5~1A

欠電壓“不啟動”的電壓:8.0V±1.0V

二、常用技術(shù)參數(shù)與元件參數(shù)的計算

1.“電流”預(yù)設(shè)計

輸出功率:　　　　　　　V_outI=15×1=15W

最大峰值電流:

I_pk===4.6A

輸入平均電流:

I_in(av)≈==0.7A

I_in(av-hi)≈==0.926A

確定一次繞組所需導(dǎo)線的規(guī)格,因為電源需要18V下通過額定負(fù)載電流,因此一次導(dǎo)線規(guī)格為#20AWG。

2.設(shè)計反激式變壓器

在電源內(nèi)部,變壓器是唯一一個非表面貼安裝元件,因為沒有表面安裝的磁芯可以大到支持15W的水平。雖然可以用環(huán)形的,但這里使用TDK公司的低造型E-E磁芯,(EPC)公司的低造型磁芯也可行。

(1)確定磁芯材料　電源將工作在150~500kHz頻率范圍內(nèi),兩類磁芯材料可以適用于這個頻率范圍?！癋”“3C8”和“H7P4”(不同制造廠商生產(chǎn)的類似的材料)可在800kHz工作。“N”“3C85”和“H7P40”也可以應(yīng)用在該兆赫范圍而只有很小的磁芯損耗。在這個應(yīng)用中,采用H7P40材料(TDK)。

(2)磁定磁芯尺寸　TDK按磁芯在單管正激式變換器中能處理的功率大小分級。它的體積要求非常類似于反激式變換器。適合15W的EPC磁芯為EPC17或更大型號。這一體積的規(guī)格型號是:磁芯為PC40EPC17-Z;骨架為BER17-1111CPH和固定夾為EEPC17-A。

(3)確定一次電感　設(shè)定最大開通時間為7μs,這種情況出現(xiàn)在最小輸入電壓時,則一次電感將等于

L_pri===27.3μH(取27μH)

氣隙長度約等于

l_gap≈==0.125m

有這個氣隙的磁芯的A_L約為55nH/N²。這里采用TDK的A_L并用下列公式計算匝數(shù):

N_pri===22.2匝(取22匝)

二次繞組電感控制磁芯在斷續(xù)模式運行時釋放自身儲存能量的速率,由于輸入和輸出電壓在幅值上非常接近,可以用1∶1的匝比,這樣對于相應(yīng)的PWM系統(tǒng)來說,關(guān)斷時間是3μs。這里取匝比為1∶1,用雙線并繞,以達(dá)到最高的耦合度。

N_sec=22匝

線徑:

一次繞組為#20AWG或相當(dāng)?shù)膶?dǎo)線——取#24AWG3股;

二次繞組為#20AWG或相當(dāng)?shù)膶?dǎo)線——取#24AWG3股。

為防止混淆,使用兩種不同顏色的導(dǎo)線。

(4)變壓器繞線技巧　一次和二次繞組導(dǎo)線在繞到骨架上之前要先絞在一起,將各繞組端部分開,并焊到引腳上。將一層聚酯薄膜覆蓋在外層,使其美觀和安全。

3.設(shè)計諧振回路

這是對諧振回路參數(shù)初步的估算,因為現(xiàn)在還不可能預(yù)計實際電路所有寄生參數(shù)的影響。計算的回路參數(shù)值和控制IC的關(guān)斷時間必須在調(diào)試時再調(diào)整。

首先,假定儲存在LC諧振回路的能量是平均分配的,即

==

整理上式并解得諧振電容值為

C_r=

欲限制諧振電容(C_r)上的尖峰電壓小于100V,解得

C_r==0.024μF(取0.02μF)

選擇電源的最高工作頻率為250kHz。輕載時,最大開通時間應(yīng)在10%~15%之間。所以諧振頻率也在250kHz左右,解得諧振電感為

L_r===20μH

4.設(shè)計輸出整流/濾波級

(1)輸出整流器選擇

V_r=V_out+[V_in(max)]=15+32=47V

二極管D4選用MBE360。

(2)二極管的輸出濾波電容

C_o===40μF

取電容C_o為47μF/DC25V。采用高等級的鉭電容,并與0.5uF陶瓷電容并聯(lián)。

設(shè)計自啟動部分:采用電流限制線性調(diào)節(jié)型啟動電路。

對于基極偏置電阻R₁:

R₁=(18-12)/0.5=12kΩ

對集電極限流電阻R₂:

R₂=(18-13)/10=500Ω(取510Ω)

5.設(shè)計控制部分

使用普通的UC3842電流型控制IC。因為IC50%占空比的限制,所以挑選IC也很重要。振蕩器工作在固定關(guān)斷時間的單觸發(fā)方式,即關(guān)斷時定時電容短接到地,開通時間由電流檢測輸入引腳控制。當(dāng)電流達(dá)到一定值時,定時電容將被釋放,振蕩器如同一個單觸發(fā)定時器,如此循環(huán)工作。

改造成固定關(guān)斷時間的控制器:在定時電容兩端接一個小功率N溝道MOSFET,它的柵極與主功率MOSFET的柵極相接,小功率MOSFET可選BS170或2N7002。根據(jù)有關(guān)元器件數(shù)據(jù)手冊以及約2μs的關(guān)的時間,定時元件電阻大約為15kΩ,電容為220pF。這些值在調(diào)試時還要進(jìn)一步調(diào)整到與諧振回路的半周期相匹配。

6.設(shè)計電壓負(fù)反饋環(huán)

使用1.0mA的檢測電流,使得電壓檢測電阻分壓器的下電阻(R₉)為2.49kΩ,1%。

上電阻(R₈)為

R₈=(15-2.5)/1=12.5kΩ(取12.4kΩ,1%)

7.設(shè)計反饋環(huán)補償

零電壓準(zhǔn)諧振電源通常頻率隨著電源電壓和負(fù)載的變化而發(fā)生4倍的改變,由于這種改變,估計最低開關(guān)頻率為80kHz?？梢杂眠@個值來估算補償量。

即使工作在變頻狀況,電流型反激式變換器的控制到輸出特性曲線還是單極點的,所以應(yīng)采用單極-零點補償方法。濾波器極點、ESR零點和直流增益等于

A_DC==2.41

G_DC=20lg2.41=7.7dB

f_fp(hi)==225Hz(額定負(fù)載1A時)

f_fp(low)==112Hz(額定負(fù)載0.5A時)

控制到輸出特性曲線見圖3-3。

圖3-3　幅頻和相頻特性博德圖(補償設(shè)計)

穿越頻率應(yīng)小于f_sw/5,即

f_xo<80/5<16kHz

設(shè)為10kHz。

為使穿越頻率的增益為0dB,補償網(wǎng)絡(luò)的增益為

G_xo=20lg[f_xo/f_fp(hi)]-G_DC

=20lg(10000/225)-7.7

=25.2dB(僅用于博德圖)

A_xo=18.3(標(biāo)量增益)

補償誤差放大器零點設(shè)在最低的濾波器極點上,即

f_ez=f_fp(low)=112Hz

補償誤差放大器極點設(shè)在電容ESR引起的最低的預(yù)期零點頻率上,即

f_ep=f_p(ESR)=10kHz(近似值)

已知+5V電壓檢測分壓器的上電阻值(R₈=12.4kΩ)。

C₃===70pF(取68pF)

R₃=A_xoR₁=18.3×12.4=227kΩ(取220kΩ)

C₄===0.065μF(取0.06μF)

最終所設(shè)計的電路見圖3-4。

圖3-4　ZVS準(zhǔn)諧振電流型反激式變換器