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中心議題：

• 雙開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器更易于實(shí)現(xiàn)
• 探討雙開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器在低待機(jī)能耗應(yīng)用中的設(shè)計(jì) 

解決方案：

• 比較三次繞組、RCD鉗位及雙開(kāi)關(guān)正激等常見(jiàn)的磁芯復(fù)位技術(shù)；
• 分析雙開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)
• 基于雙開(kāi)關(guān)正激磁芯復(fù)位技術(shù)的NCP1252固定頻率控制器
  
  
  
  摘要：與三次繞組和RCD鉗位等常見(jiàn)變壓器磁芯復(fù)位技術(shù)相比，雙開(kāi)關(guān)正激技術(shù)不需要特殊的復(fù)位電路，更易于實(shí)現(xiàn)，且保證可靠的磁芯復(fù)位，適用的功率等級(jí)比單開(kāi)關(guān)正激技術(shù)更高。安森美半導(dǎo)體的NCP1252是一款增強(qiáng)型雙開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器，具有可調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率及跳周期模式，帶閂鎖過(guò)流保護(hù)等多種保護(hù)特性，適合計(jì)算機(jī)ATX電源、交流適配器、UC38xx替代及其它任何需要低待機(jī)能耗的應(yīng)用。

 

單開(kāi)關(guān)(或稱(chēng)單晶體管)正激轉(zhuǎn)換器是一種最基本類(lèi)型的基于變壓器的隔離降壓轉(zhuǎn)換器，廣泛用于需要大降壓比的應(yīng)用。這種轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)包括只需單顆接地參考晶體管，及非脈沖輸出電流減小輸出電容的均方根紋波電流含量等。但這種轉(zhuǎn)換器的功率能力小于半橋或全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且變壓器需要磁芯復(fù)位，使這種轉(zhuǎn)換器的最大占空比限制在約50%。此外，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)開(kāi)關(guān)的漏電壓變化達(dá)輸入電壓的兩倍或更多，使這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較難于用在較高輸入電壓的應(yīng)用。

圖1：正激轉(zhuǎn)換器不帶磁芯復(fù)位與帶磁芯復(fù)位之對(duì)比。

 

正激轉(zhuǎn)換器中，變壓器的磁芯單方向磁化，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期都需要采用相應(yīng)的措施來(lái)使磁芯復(fù)位到初始值，否則勵(lì)磁電流會(huì)在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期增大，經(jīng)歷幾個(gè)周期后會(huì)使磁芯飽和，損壞開(kāi)關(guān)器件。相對(duì)而言，如果有磁芯復(fù)位，電流就不會(huì)在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期增大，電壓會(huì)基于勵(lì)磁電感(L_mag)反相并使磁芯復(fù)位。圖1以單開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器為例，簡(jiǎn)要對(duì)比了無(wú)磁芯復(fù)位與有磁芯復(fù)位的電路圖及勵(lì)磁電感電流波形。

 

有3種常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)磁芯復(fù)位技術(shù)，分別是三次繞組，電阻、電容、二極管(RCD)鉗位和雙開(kāi)關(guān)正激。三次繞組磁芯復(fù)位技術(shù)的電路示意圖參見(jiàn)圖1b)，這種技術(shù)能夠提供大于50%的占空比，但開(kāi)關(guān)Q1的峰值電壓可能大于輸入電壓的2倍，而且變壓器有三次繞組，使變壓器結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。RCD鉗位磁芯復(fù)位技術(shù)也能使占空比大于50%，但需要寫(xiě)等式和仿真，以檢驗(yàn)復(fù)位的正確性，讓設(shè)計(jì)過(guò)程更復(fù)雜。RCD鉗位技術(shù)的成本比三次繞組技術(shù)低，但由于復(fù)位電路中的鉗位電阻消耗能量，影響了電源轉(zhuǎn)換效率。


 

圖2：雙開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器電路原理圖。

 
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與前兩種磁芯復(fù)位技術(shù)相比，雙開(kāi)關(guān)正激更易于實(shí)現(xiàn)，而且開(kāi)關(guān)Q1上的峰值電壓等于輸入電壓，降低了開(kāi)關(guān)所承受的電壓應(yīng)力。這種技術(shù)需要額外的MOSFET (Q2)和高端驅(qū)動(dòng)器，且需要2個(gè)高壓低功率二極管(D3和D4)，參見(jiàn)圖2。雙開(kāi)關(guān)正激技術(shù)的每個(gè)開(kāi)關(guān)周期包含3步：第1步，開(kāi)關(guān)Q1、Q2及二極管D1導(dǎo)通，二極管D2、D3及D4關(guān)閉；第2步，開(kāi)關(guān)Q1、Q2及二極管D1關(guān)閉，而二極管D2、D3及D4導(dǎo)通；第3步，開(kāi)關(guān)Q1、Q2及二極管D1仍然關(guān)閉，二極管D2仍然導(dǎo)通，而二極管D3及D4則關(guān)閉。

 

當(dāng)然，采用這種技術(shù)后，轉(zhuǎn)換器就成了雙開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器，它不同于單開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器，不需要特殊的復(fù)位電路就可以保證可靠的變壓器磁芯復(fù)位，可靠性高，適合更高功率等級(jí)。

 

NCP1252是安森美半導(dǎo)體新推出的一款改進(jìn)型雙開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器，適合于計(jì)算機(jī)ATX電源、交流適配器、UC38XX替代及其它任何要求低待機(jī)能耗的應(yīng)用，相關(guān)能效測(cè)試結(jié)果將在后文提及。這器件也是一種固定頻率控制器，帶跳周期模式，能夠提供真正的空載工作。此外，NCP1252具有可調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率，增強(qiáng)設(shè)計(jì)靈活性；還帶有閂鎖過(guò)流保護(hù)功能，能夠承受暫時(shí)的過(guò)載。其它特性還包括可調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)、內(nèi)部斜坡補(bǔ)償、自恢復(fù)輸入欠壓檢測(cè)等。

 

NCP1252與市場(chǎng)上不含輸入欠壓檢測(cè) 、軟啟動(dòng)及過(guò)載檢測(cè)的UC384x系列器件相比，提供這系列器件所不包含的這些功能(額外實(shí)現(xiàn)成本為0.07美元)，降低成本并提升可靠性。

 

安森美半導(dǎo)體基于NCP1252構(gòu)建的演示板規(guī)格包括：

輸入電壓范圍：350至410 Vdc；

輸出電壓：12 Vdc，精度±5%；

額定輸出功率：96 W (8 A)；

最大輸出功率：120 W (每分鐘持續(xù)5秒)；

最小輸出功率：真正空載(無(wú)假負(fù)載)；

輸出紋波：50 mV峰值至峰值；

最大瞬態(tài)負(fù)載階躍：最大負(fù)載的50%；

最大輸出壓降：250 mV (5 µs內(nèi)從輸出電流=50%到滿(mǎn)載(5 A到10 A))。

 

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對(duì)等式(9)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，就可以得到等式(10)，最終我們選擇27 µH的標(biāo)準(zhǔn)值。

輸出電容的均方根電流(I_Cout,rms)計(jì)算見(jiàn)等式(11)：

其中，額定電感時(shí)間常數(shù)(τ)的計(jì)算見(jiàn)等式(12)：

3) 變壓器電流
經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算(詳細(xì)計(jì)算過(guò)程參見(jiàn)參考資料3)，可以得到：次級(jí)峰值電流(IL_pk)為11.13 A，次級(jí)谷底電流(I_{L_valley})為8.86 A，初級(jí)峰值電流(Ip_pk)為0.95 A，初級(jí)谷底電流(I_{p_valley})為0.75 A，初級(jí)均方根電流(I_p,rms)為0.63 A。

4) MOSFET
由于NCP1252是雙開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器，故作為開(kāi)關(guān)的功率MOSFET的最大電壓限制為輸入電壓。通常漏極至源極擊穿電壓(BV_DSS)施加了等于15%的降額因數(shù)，如果我們選擇500 V的功率MOSFET，降額后的最大電壓應(yīng)該是：500 V x 0.85 = 425 V。我們選擇的功率MOSFET是采用TO220封裝的FDP16N50，其BVDSS為500 V，導(dǎo)通阻抗(RDS(on))為0.434 Ω(@Tj=110℃)，總門(mén)電荷(Q_G)為45 nC，門(mén)極至漏極電荷(Q_GD)為14 nC。

MOSFET的導(dǎo)電損耗、開(kāi)關(guān)導(dǎo)通損耗計(jì)算見(jiàn)等式(13)到(14)：

其中，交迭時(shí)間(Δt)由下列等式計(jì)算得出：

MOSFET的開(kāi)關(guān)關(guān)閉損耗見(jiàn)等式(16)：

其中，交迭時(shí)間(Δt)由下列等式計(jì)算得出：

因此，MOSFET的總損耗為：

5) 二極管
次極二極管D1和D2維持相同的峰值反相電壓(PIV)，結(jié)合二極管降額因數(shù)(kD)為40%，可以計(jì)算出PIV，見(jiàn)等式(19)：

由于PIV<100 V，故能夠選擇30 A、60 V、TO-220封裝的肖特基二極管MBRB30H60CT。

二極管導(dǎo)通時(shí)間期間的導(dǎo)電損耗為：

關(guān)閉時(shí)間期間的導(dǎo)電損耗為：

NCP1252應(yīng)用設(shè)計(jì)：NCP1252元件計(jì)算
1) 用于選擇開(kāi)關(guān)頻率的電阻R_t
采用一顆簡(jiǎn)單電阻，即可在50至500 kHz范圍之間選擇開(kāi)關(guān)頻率(F_SW)。假定開(kāi)關(guān)頻率為125 kHz，那么我們就可以得到：

其中，V_Rt是R_t引腳上呈現(xiàn)的內(nèi)部電壓參考(2.2 V)。

2) 感測(cè)電阻
NCP1252的最大峰值電流感測(cè)電壓達(dá)1 V。感測(cè)電阻(Rsense)以初級(jí)峰值電流的20%余量來(lái)計(jì)算，其中10%為勵(lì)磁電流，10%為總公差：

3) 斜坡補(bǔ)償
斜坡補(bǔ)償旨在防止頻率為開(kāi)關(guān)頻率一半時(shí)出現(xiàn)次斜坡振蕩，這時(shí)轉(zhuǎn)換器工作在CCM，占空比接近或高于50%。由于是正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，重要的是考慮由勵(lì)磁電廠(chǎng)所致的自然補(bǔ)償。根據(jù)所要求的斜坡補(bǔ)償(通常為50%至100%)，僅能夠外部增加斜坡補(bǔ)償與自然補(bǔ)償之間的差值。

目標(biāo)斜坡補(bǔ)償?shù)燃?jí)為100%。相關(guān)計(jì)算等式如下：
內(nèi)部斜坡：

初級(jí)自然斜坡：

次級(jí)向下斜坡：

自然斜坡補(bǔ)償：

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由于自然斜坡補(bǔ)償?shù)陀?00%的目標(biāo)斜坡補(bǔ)償，我們需要計(jì)算約33%的補(bǔ)償：

由于R_compC_CS網(wǎng)絡(luò)濾波需要約220 ns的時(shí)間常數(shù)，故：

  

4) 輸入欠壓電阻
輸入欠壓(BO)引腳電壓低于V_BO參考時(shí)連接I_BO電流源，從而產(chǎn)生BO磁滯。

NCP1252演示板圖片及性能概覽
NCP1252演示板的詳細(xì)電路圖參見(jiàn)參考資料2,其頂視圖和底視圖則見(jiàn)圖3。

圖3：NCP1252演示板的頂視圖及底視圖。

 

在室溫及額定輸入電壓(390 Vdc)條件下，NCP1252演示板不同負(fù)載等級(jí)時(shí)的能效如圖4所示。從此圖可以看出，負(fù)載高于40%最大負(fù)載時(shí)，工作能效高于90%。這演示板還能藉在轉(zhuǎn)換器次級(jí)端同步整流，進(jìn)一步提升能效達(dá)幾個(gè)百分點(diǎn)。

 

  

圖4：NCP1252演示板在室溫及額定輸入電壓(390 Vdc)條件下的能效圖。

 

如前所述，NCP1252提供軟啟動(dòng)功能，其中一個(gè)目標(biāo)應(yīng)用就是替代UC38xx。NCP1252有一個(gè)專(zhuān)用引腳，支持調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間及控制啟動(dòng)期間的峰值。

 

另外，NCP1252的待機(jī)能耗性能也很突出。這器件能藉將輸入欠壓(BO)引腳接地來(lái)關(guān)閉，而關(guān)閉時(shí)V_CC輸入端汲入的電流小于100 µA。