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利用低边 N 信道电流模式控制器

时间:2003-06-01 00:00来源:compotechasia.com 作者:admin 点击:
本文由美国国家半导体提供

作者: Michele Sclocchi (Michele.Sclocchi@nsc.com)
美国国家半导体欧洲区电源管理产品部资深应用技术工程师

返驰式开电源架构是设计多输出分离开关电源供应器及以 48 伏输入的电讯应用方案最常使用的架构。本文介绍如何利用高效率的 LM3488 、低边、 N 信道电流模式控制器用以设计成本低廉的非连续式返驰式开关稳压器。我们先讨论设计的理论基础,再为读者提供全套实际应用的设计解决方案。

重温返驰式转换器的理论以及开关电源供应器的一般作业情况,例如连续及非连续作业模式、电流电压模式以及高频率变压器设计等,将有助我们全面了解返驰式电源供应器的设计。

返驰式转换器基本上是一种降压/升压转换器。

图 1-a 所示单电感器可视为两个并联并联连接的电感器,其线圈匝数为 1:1 (图 1-b)。其电感器的基本功能不变,同一核心的两个并联并联线圈相等于一个线圈。若两个线圈之间的连接中断,晶体管导电的电流便流经 L1 线圈,而二极管导电时电流便流经另一线圈 L2。

变压器初级线圈上的点与次级线圈上的点刚好处于相反位置,从特征可以立即肯定所采用的是返驰式架构。此架构最大问题在电感器兼变压器的设计上,因为这电感器兼变压器的功能既负责储存能量,也负责执行变压器的功能,与理论上的典型变压器不同,电流不会同时流入两个线圈。

产生磁化作用的初级线圈与降压/升压转换器的电感器的工作方式相同。当晶体管导电时,直流电电源的能量会储存在 L1。当二极管导电时,能量便会传送到输出电容器及负载。

非连续模式与连续模式的优劣比较:

返驰式转换器可使用两种不同的作业模式,即非连续模式及连续模式。这两个模式具相同的应用电路图,图 2-a 及 2-b 显示变压器初级线圈及次级线圈的电流波形。

若输出电流提高至超过某一水平时,根据设计可采用非连续模式的电路或改以连续模式。

以非连续模式作业时,启动期间储存在初级线圈的能量会在下一周期开始前全部传送到次级线圈及负载。次级线圈的电流降至“0”。以连续模式作业时,每另一周期开始时都会有部分能量保留在次级线圈内。

返驰式转换器可以采用任何一种作业模式,但每一模式各有其不同的功能特色。非连续模式的峰值电流较高,因此可以在开关关闭后产生较高的尖波电压,其负载瞬时反应则较快,初级电感也较低,可以使用小型的变压器。由于输入反向电压的正向电流为“0”,因此二极管的反向恢复时间并非那么重要。此外,晶体管启动时其集极电流为“0”,有助减低非连续模式的电磁干扰噪声。至于连续模式,虽然其峰值电流较低,输出的尖波电压也较低,但低功率应用方案很少采用这种连续模式,因为转换器转换函数的右半平面为“0”,使频宽不得不大幅压缩,以稳定回授环路。
电压模式控制电路只采用一个回授环路。图 3-a 所示的是采用该模式的脉冲宽度调变电路。图中的振荡器负责利用外置电容器的固定电流产生固定的锯齿形三角波形 Vst。错误放大器则负责比较输出电压的回授与参考电压,并根据比较结果产生错误电压 Ve。电压比较器则负责比较 Ve 与 Vst。若 Vst 比错误电压 Ve 高,脉冲宽度调变输出也会较高。

电压模式控制功能不能控制输出电流,因此负载瞬时必须透过输出电压的转变感应出来,并利用回授环路加以校正。电流模式控制功能的优点是可以控制同一电路的输出电流及输出电压 (图 3-b)。只要改变功率晶体管的占空比,便可提供线路及电流瞬时反应。输出电压错误 Ve 及锯齿形波形 Vst 都可决定占空比的大小,而锯齿形波形 Vst 则由外置感应电流电阻器输出电感电流而产生。由于电流模式控制功能除了可为每周期提供电流限幅之外,还可提供卓越的频宽及瞬时反应,因此是较为理想的选择。
基本作业方式:

图 4 采用 LM3488 的典型返驰式转换器设计, Vo1 是电路的主输出,而 Vo2 与 Vo3 则是从属输出。从属输出有较好的线稳压,较差的负载稳压。

Q 启动时,固定电压跨在 Np,而电流会按照线性的方式上升,其速率可用以下公式表达:

DI/dt = (Vin-1/Lp) 
而 Lp 为初级线圈磁化电感

启动完结时,初级线圈电流已上升到 Ip-peak=(Vin-1)Ton/Lp。在启动 (Ton) 时,储存在电感器的能量可用以下公式表达:

 

当 Q 关闭时,初级线圈的电感会使得所有线圈的极性返转。

假设只有一个输出,初级线圈的所有能量理论上应该会在关闭的一瞬间传送到次级线圈。次级线圈的最高电流相等于 Is-peak = Ip-peak*N,而 N 是初级线圈及次级线圈之间的匝数比 (Np/Ns) 。
变压器设计:

返驰变压器较近似同一核心的多个电感器,。理论上,变压器不应储存能量,所有能量都会立即由初级线圈传到次级线圈。

返驰变压器可用作储存能量的装置。开关启动,大部分能量储存在变压器的初级电感之中。开关关闭后,能量便会传送到次级线圈以及输出电容器与负载。能量储存在核心磁性组件的间隙,若采用磁合金粉,能量则储存在核心之内。

电感变压器的设计应尽量将漏电感、交流电线圈损耗及核心损耗减至最低。漏电感属于不会与次级电感互相耦合的初级电感部分。由于漏电感一方面会减低变压器的效率,而又会在开关芯片上产生尖波。

高线圈损耗主要由皮肤效应所引起。频率越高,电流流向导电体的表面,因此采用编织线或薄片线圈。编织线通常采用较细的电线绞合而成,而几条编织线可再绞合一起编织成更粗的绞合线。

导磁铁粉心的窗形口应开得越阔越好,以减少层数,使交流电线圈损耗及漏电感可以减至最低。内部设有空气间隙的 E 类核心是产生低成本及低漏电感的首选解决方案。

导磁铁粉心的损耗率受到核心料、开关频率以及电流振幅的影响。对于采用非连续导电设计而开关频率超过 100 kHz 的返驰变压器来说,铁氧体 P 的材料通常是首选材料,因为这种物料可以降低核心损耗。

作业频率:

LM3488 驱动器的作业频率范围较为广阔,可在 100 kHz 至 1 MHz 的频率范围内作业。

我们为电源供应器选择作业频率时,应详细考虑开关损耗、变压器总体损耗、磁性组件的外型大小和成本、以及输出电容器等不同因素,力求各方面的优点都能充分发挥出来。

高频率会降低输出电容以及初级和次级线圈的电感,因此有助缩小变压器的体积。但高频率也同样会增加变压器的损耗及开关器的开关损耗。高损耗会降低电源供应器的总体效率,以致需要加大散热器才能散发积聚的大量热能。


为了协助系统设计工程师设计返驰电源供应器,美国国家半导体特别为他们提供全套 Mathcad 文件,其中包括可计算所有必要外部组件的公式,详情可浏览美国国家半导体的网页,网址为 http://power.national.com。



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