時(shí)間:2024-07-12 16:30:47來源:21ic 電子網(wǎng)
開關(guān)電源的輸出是直流輸入電壓、占空比和負(fù)載的函數(shù)。在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中,反饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是無論輸入電壓、占空比和負(fù)載如何變化,輸出電壓總在特定的范圍內(nèi),并具有良好的動態(tài)響應(yīng)性能。
電流模式的開關(guān)電源有連續(xù)電流模式(CCM)和不連續(xù)電流模式(DCM)兩種工作模式。連續(xù)電流模式由于有右半平面零點(diǎn)的作用,反饋環(huán)在負(fù)載電流增加時(shí)輸出電壓有下降趨勢,經(jīng)若干周期后最終校正輸出電壓,可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此在設(shè)計(jì)反饋環(huán)時(shí)要特別注意避開右半平面零點(diǎn)頻率。
當(dāng)反激式開關(guān)電源工作在連續(xù)電流模式時(shí),在最低輸入電壓和最重負(fù)載的工況下右半平面零點(diǎn)的頻率最低,并且當(dāng)輸入電壓升高時(shí),傳遞函數(shù)的增益變化不明顯。當(dāng)由于輸入電壓增加或負(fù)載減小,開關(guān)電源從連續(xù)模式進(jìn)入到不連續(xù)模式時(shí),右半平面零點(diǎn)消失從而使得系統(tǒng)穩(wěn)定。因此,在低輸入電壓和重輸出負(fù)載的情況下,設(shè)計(jì)反饋環(huán)路補(bǔ)償使得整個(gè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)留有足夠的相位裕量和增益裕量,則開關(guān)電源無論在何種模式下都能穩(wěn)定工作。
1 反激式開關(guān)電源典型設(shè)計(jì)
圖1是為變頻器設(shè)計(jì)的反激式開關(guān)電源的典型電路,主要包括交流輸入整流電路,反激式開關(guān)電源功率級電路(有PWM控制器、MOS管、變壓器及整流二極管組成),RCD緩沖電路和反饋網(wǎng)絡(luò)。其中PWM控制芯片采用UC2844。UC2844是電流模式控制器,芯片內(nèi)部具有可微調(diào)的振蕩器(能進(jìn)行精確的占空比控制)、溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖蓟鶞?zhǔn)、高增益誤差放大器、電流取樣比較器。
開關(guān)電源設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)如下:三相380V工業(yè)交流電經(jīng)過整流作為開關(guān)電源的輸入電壓Udc,按最低直流輸入電壓Udcmin為250V進(jìn)行設(shè)計(jì);開關(guān)電源工作頻率f為60kHz,輸出功率Po為60W。
當(dāng)系統(tǒng)工作在最低輸入電壓、負(fù)載最重、最大占空比的工作情況下,設(shè)計(jì)開關(guān)電源工作在連續(xù)電流模式(CCM),紋波系數(shù)為0.4。設(shè)計(jì)的開關(guān)電源參數(shù)如下:
變壓器的原邊電感Lp=4.2mH,原邊匝數(shù)Np=138;5V為反饋輸出端,U5V=5V,負(fù)載R5=5Ω,匝數(shù)N5V=4,濾波電容為2個(gè)2200μF/16V電容并聯(lián),電容的等效串聯(lián)電阻Resr=34mΩ;24V輸出的負(fù)載R24=24Ω,匝數(shù)N24V=17;15V輸出的負(fù)載R15=15Ω,匝數(shù)N15V=1l;一1 5V輸出的負(fù)載R-15V=15Ω,匝數(shù)N-15V=11。
2 功率級電路的傳遞函數(shù)
電流模式控制器控制框圖包含兩個(gè)反饋環(huán),外部電壓環(huán)反饋電壓信息,內(nèi)部電流環(huán)反饋電流信息(如圖2所示)。電流環(huán)的輸入是控制電壓UC和電感電流采樣值US的差值,電流環(huán)的輸出是占空比D。當(dāng)US小于UC時(shí),PWM調(diào)制器(Fm)輸出高電平,功率開關(guān)開通,當(dāng)US大于UC,PWM調(diào)制器輸出低電平,功率開關(guān)關(guān)斷。通過具有固定頻率時(shí)鐘信號的RS觸發(fā)器,下一個(gè)周期自動置位。通過這種方式,電感峰值電流被控制電壓精確控制。
控制框圖中Gvd(s)是功率級電路占空比控制端到輸出電壓的傳遞函數(shù),Gid(S)為占空比控制端到電感電流的傳遞函數(shù),F(xiàn)m(s)為PWM調(diào)制器的增益函數(shù),He(s)為電流模式控制的開環(huán)采樣增益,Rs為電流采樣電阻,Uref為基準(zhǔn)參考電壓。
基于文獻(xiàn)建立的反激式開關(guān)電源的交流小信號數(shù)學(xué)模型和Vorperian建立的簡化平均PWM開關(guān)模型以及Ridley Engirleering建立的電流模式的數(shù)學(xué)模型,建立反激式開關(guān)電源的等效電路模型,進(jìn)而可以求得各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。
Gvd(s)和Gid(s)都具有雙極點(diǎn),但當(dāng)電流環(huán)增益足夠大,它們的雙極點(diǎn)可以抵消,從而可以得到如下近似的具有單極點(diǎn)的傳遞函數(shù):
其中:UI為直流輸入電壓,Uo為輸出電壓,RL為等效負(fù)載電阻,RS為電流采樣電阻,n=Ns/Np為變壓器的匝數(shù)比。
零極點(diǎn)計(jì)算如下:
其中D為占空比,Lp為初級電感,RL為負(fù)載電阻,C為輸出電容,Resr為輸出電容等效串聯(lián)電阻。
由(1)式可以求得圖1所示開關(guān)電源從控制到輸出的傳遞函數(shù):
其中對于多路輸出的負(fù)載RL,是指控制輸出端的等效負(fù)載。按照文獻(xiàn)提供的思路,將其他各路輸出都“映射”到5V反饋輸出,從而
右半平面零點(diǎn)頻率frz=ωrz/2π=12kHz,電容等效串聯(lián)電阻ESR零點(diǎn)頻率fz=ωz/2π=2.2kHz,負(fù)載極點(diǎn)頻率fp=ωp/2π=125kHz。
反激式變換器
反激式變換器是由 Buck-Boost 變換器推演而來,將電感變換一個(gè)隔離變壓器,就可以得到下圖的反激式變換器。
反激的重要波形
當(dāng)開關(guān)管開通,電感的電流上升,可以看出,它的電流圖形和 BUCK-BOOSK的圖形是非常相似的,它的區(qū)別就是一個(gè)原副邊的匝數(shù)比,這里也可以看做變壓器就是一個(gè)電感的作用。
單端反激式開關(guān)電源
單端反激式開關(guān)電源如圖所示,電路中所謂的單端是指高頻變化器的磁芯僅工作在磁滯回線的一側(cè)。所謂的反激,是指開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),高頻變壓器T初級繞組的感應(yīng)電壓為上正下負(fù),整流二極管D1處于截止?fàn)顟B(tài),再初級繞組中存儲能量。當(dāng)開關(guān)管截止時(shí),變壓器T初級繞組中存儲的能量,通過次級繞組激VD1整流和電容C濾波后向負(fù)載輸出。
單端反激式開關(guān)電源是一種成本最低的電源電路,輸出功率為20-100W,可以同時(shí)輸出不同的電壓,且有較好的電壓調(diào)整率。唯一的缺點(diǎn)是輸出的紋波電壓較大,外特性差,適用于相對固定的負(fù)載。
單端反激式開關(guān)電源使用的開關(guān)管VT1承受的最大反向電壓是電路工作電壓值的兩倍,工作頻率在20-200kHz之間。
原理解析
EMI電路(瞬態(tài)濾波電路)
市電接入PC開關(guān)電源后,首先進(jìn)入的就是瞬態(tài)濾波電路。
所謂的 EMI 就是電磁干擾,通常采用共模濾波器,其中包括共模電容,不平衡變壓器或者共模電感。共模電容將兩個(gè)輸入線的共摸電流旁路到大地,共摸電感呈現(xiàn)一個(gè)平衡阻抗,也就是說,電源線和地線中阻抗相等,這個(gè)阻抗對共模噪聲呈現(xiàn)阻抗特性。
共模濾波器的作用是消除開關(guān)電源特有的"開關(guān)干擾",以保證設(shè)備自身和電網(wǎng)中的其他設(shè)備免除干擾。
F1 : 保險(xiǎn)管,電流過大時(shí),保護(hù)電路。
R1 R2 : 放電電阻,給這部分濾波放電,使用多個(gè)電阻是為了分散承受放電的功率。
C11 : X電容,對差模干擾起濾波作用,也就是輸入的兩端。
L1 : 共模電感,衰減共模電流。
整流濾波電路
交流電,經(jīng)過整流橋整流后,經(jīng)過C2濾波后得到較為純凈的直流電壓。若C2容量變小,輸出的交流紋波將增大。
NTC 熱敏電阻:在電路的輸入端串聯(lián)一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻增加線路的阻抗,這樣可以有效的抑制開機(jī)時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓形成的浪涌電流。
當(dāng)電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作時(shí),由于線路中持續(xù)工作電流引發(fā) NTC 發(fā)熱,使得電阻器的電阻值變得很小,對線路造成的影響可以完全忽略。
芯片啟動電路
CR6842具有2中啟動方式:
(1) 傳統(tǒng)啟動方式:使用VDD作啟動引腳時(shí),芯片支持整流前啟動與整流濾波后啟動,啟動電路如下。
(2) 具有OCP補(bǔ)償功能的啟動方式:使用3腳VIN作為啟動引腳時(shí)芯片具有OCP補(bǔ)償功能,但僅支持從整流濾波后啟動的方式。
左側(cè),當(dāng)系統(tǒng)的輸入電壓發(fā)送變化時(shí),通過啟動電阻流經(jīng)Vin端的電流也會發(fā)生變化,芯片通過檢測該端口變化值來自動實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償,使系統(tǒng)達(dá)到恒定功率輸出的目的。
右側(cè),當(dāng)電源上電開機(jī)時(shí),通過啟動電阻R11給 VDD端的電容C1 充電,直到VDD端口電壓達(dá)到芯片的啟動電壓 Vth(ON) (典型值 16.5V)時(shí),芯片才被激活并且驅(qū)動整個(gè)電源系統(tǒng)正常工作。
開關(guān)ON通路與電流檢測(限流保護(hù))
單端反激式開關(guān)電源的應(yīng)用場景主要包括以下幾個(gè)方面:
通訊設(shè)備:在通訊設(shè)備中,如路由器、交換機(jī)、無線基站等,需要穩(wěn)定的電源供電,同時(shí)對體積和效率要求較高。自激型單端反激開關(guān)電源可以滿足這些要求。
工業(yè)自動化設(shè)備:在工業(yè)自動化領(lǐng)域,如PLC(可編程控制器)、傳感器、工業(yè)計(jì)算機(jī)等設(shè)備,通常需要高效、可靠的電源供電。單端反激式開關(guān)電源能夠滿足這些設(shè)備的電源需求。
家用電器:在家用電器中,如電視機(jī)、音響、電腦顯示器、充電器等,需要穩(wěn)定的直流電源來工作。單端反激式開關(guān)電源能夠提供高效、穩(wěn)定的電源轉(zhuǎn)換,保證設(shè)備的正常運(yùn)行。
LED照明:在LED照明領(lǐng)域,單端反激式開關(guān)電源為大型戶外LED顯示屏和商業(yè)照明系統(tǒng)提供動力,確保均勻的亮度和準(zhǔn)確的顏色。
汽車電子:在汽車電子領(lǐng)域,單端反激式開關(guān)電源也得到了廣泛應(yīng)用,如汽車音響、汽車儀表盤等。
總之,單端反激式開關(guān)電源具有廣泛的應(yīng)用場景,尤其在需要高效、穩(wěn)定、可靠的電源供電的領(lǐng)域中表現(xiàn)出色。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步,單端反激式開關(guān)電源的性能將得到進(jìn)一步提升,為更多的電子設(shè)備和系統(tǒng)提供更加可靠、高效的電源解決方案。
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