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使用TOPSwitch-GX设计单端正激变换器

新年将至,感谢PI的好活动。今天我给大家介绍的是,利用TOPSwitch-GX TOP248-TOP250器件设计一个单端正激的AC-DC变换器电源。讨论设计为230 VAC单电压输入或115 VAC倍压整流输入,但不涉及宽电压输入范围(85 V至265 V)的设计。

上图所示为使用TOPSwitch-GX的典型单端正激变换器。详细的讨论将集中在变压器的初级侧,因为次级电路为常规电路,可以在其它的文献中找到相应的介绍。电阻RA和RB用于设定欠压锁定阈值。电阻网络RA、RB、RC、RD与电容CVS一起用于输入电压改变时调整最大占空比。此设计方法给出了这些电阻和电容取值的设计过程。使用TOPSwitch-GX时另一个关键因素为初级箝位电路(图10当中的CCP、D1、VR1、VR2和VR3)。它对变压器的磁通进行复位并限制最大的漏极电压。本设计方法中假定采用稳压管-电容的箝位电路。此应用指南中也包含有这种特殊的箝位电路所使用的元件选择指南。

关于箝位电路的问题请参考后续单独的应用指南。设计者也可以选用自己所中意的箝位电路,但不建议使用谐振箝位(例如,LCD箝位–电感/电容/二极管)以及复位绕组。TOPSwitch-GX内部电流检测的特性不允许将谐振箝位很高的复位电流从检测的漏极电流中分离出来。本设计方法采用普通的光耦隔离的反馈电路,这种电路在电压控制方式的系统中很常见,具有两个极点的响应特性。对于大多数的应用,一般要求频率补偿要具有两个零点及两个极点以得到足够的相位裕量。而反馈电路的设计已经超出了本应用指南所讨论的范围,本文仅对一般的电路拓扑进行讨论。

输出电路的一些显著特点在图2中进行了说明。变压器中的多个次级绕组可以以多种不同的方法进行组合,以得到几种稳定的或者非稳定的输出电压。所有的应用都仅有一个主输出。该输出电压通过光耦隔离的反馈电路由TOPSwitch-GX直接控制实现稳压。一般地,任意数量的辅助输出都可以由其它次级绕组得到,使用耦合电感的方法实现间接的稳压,这些辅助输出与主输出共用一个电感。辅助输出的次级绕组可以两种方法来配置。传统的配置方法是将辅助输出绕组的一端与主输出的返回端相连接。当辅助输出的极性与主输出的极性相反时使用这种连接方式。另一种配置方法有时称为DC叠加连接方式,即辅助绕组的一端以主输出的输出端为参考,而不是以主输出的返回端为参考。与非叠加的组合方式相比,其好处是辅助输出的稳压精度更高。但要求辅助输出的电压幅值要比主输出的电压高,且极性要相同。

只要与任何其它输出不共用一个电感,就可以得到任意数量的非稳定的输出电压。其输出仅通过变压器内独立的次级绕组与主输出有关。这些输出的电感是独立的。通常这些输出以电源的返回端为参考。但作为选择,只要变压器的隔离允许,它们也可以其它电位作为参考。使用线性或者开关工作的二次稳压电路可以得到多组稳压精度高的输出电压。这些外加的稳压器可以加在任意输出,包括主输出。它们只不过是作为那些在输出上额外增加的负载而已。磁放大器是一种特别有用的二次开关稳压电路。它使用磁性元件饱和的特性作为一个可以实现自主控制的开关器件。尽管磁放大器在理论上可以在任意输出端使用,但本文仅限于将其与主输出连接。

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tingch223
LV.4
2
2016-02-02 13:30
在输出功率较高、输出电流较大的AC-DC应用当中,与反激式变换器方案相比,单端正激变换器拓扑方案更佳。
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tingch223
LV.4
3
2016-02-02 13:33
@tingch223
在输出功率较高、输出电流较大的AC-DC应用当中,与反激式变换器方案相比,单端正激变换器拓扑方案更佳。
TOPSwitch-GX在电压模式控制在使用磁放大器稳压时简化了环路的设计
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tingch223
LV.4
4
2016-02-02 13:42
@tingch223
TOPSwitch-GX在电压模式控制在使用磁放大器稳压时简化了环路的设计
不仅如此,可编程的占空比降低对高输入电压及负载瞬变条件下占空比的漂移进行了限制
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tingch223
LV.4
5
2016-02-02 13:45
@tingch223
不仅如此,可编程的占空比降低对高输入电压及负载瞬变条件下占空比的漂移进行了限制
峰值初级电流可以通过变压器的圈数比及输出电感中的纹波电流计算出来。
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penging34
LV.4
6
2016-02-02 22:12
@tingch223
在输出功率较高、输出电流较大的AC-DC应用当中,与反激式变换器方案相比,单端正激变换器拓扑方案更佳。
选用的TOPSwitch-GX必须有足够高的限流点以处理最大稳态负载所需的功率,同时其限流点还要留有足够的额外裕量以满足峰值负载及负载瞬态变化的要求。
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penging34
LV.4
7
2016-02-02 22:16
@tingch223
峰值初级电流可以通过变压器的圈数比及输出电感中的纹波电流计算出来。
选择TOPSwitch-GX时另一个需要考虑的因素为器件的功率损耗。
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penging34
LV.4
8
2016-02-02 22:23
@tingch223
不仅如此,可编程的占空比降低对高输入电压及负载瞬变条件下占空比的漂移进行了限制
效率目标值要考虑到变压器、电感、输出整流管及箝位电路的损耗。多数高功率的设计都有功率因数校正(PFC)电路。
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zhenjor55
LV.3
9
2016-02-03 09:37
@penging34
效率目标值要考虑到变压器、电感、输出整流管及箝位电路的损耗。多数高功率的设计都有功率因数校正(PFC)电路。
无源PFC电路的电压降会降低变换器的最小输入电压,同时也会降低系统的效率。
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zhenjor55
LV.3
10
2016-02-03 09:41
在主要功率元件的数值确定以后,需要检查电压和电流的应力,选择具有合适额定值的元件。
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zhenjor55
LV.3
11
2016-02-03 09:51
@zhenjor55
无源PFC电路的电压降会降低变换器的最小输入电压,同时也会降低系统的效率。
可选的标称输入电压VACNOM用于帮助确定变压器的圈数比。
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tingch223
LV.4
12
2016-02-03 12:59
@penging34
选择TOPSwitch-GX时另一个需要考虑的因素为器件的功率损耗。
在最低稳态AC输入情况下,在纹波波谷处的DC总线电压是变大的。
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tingch223
LV.4
13
2016-02-03 13:04
@zhenjor55
可选的标称输入电压VACNOM用于帮助确定变压器的圈数比。
在使用无源PFC输入电路(AC输入端使用一个很大的电感)时,设计者要小心地选取tC的数值。因为这种方法极大地增加了二极管的导通时间。
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tingch223
LV.4
14
2016-02-03 13:08
@tingch223
在最低稳态AC输入情况下,在纹波波谷处的DC总线电压是变大的。
要使用线性稳压器的输入电压而不是稳压后得到的输出电压来计算总的输出功率。线性稳压器的损耗也是变换器负载的一部分。
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penging34
LV.4
15
2016-02-03 14:36
@tingch223
要使用线性稳压器的输入电压而不是稳压后得到的输出电压来计算总的输出功率。线性稳压器的损耗也是变换器负载的一部分。
选定纹波电流系数KΔI,它是一个非常有用的设计参数,因为它直接影响输出电感的大小。
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penging34
LV.4
16
2016-02-03 14:38
@penging34
选定纹波电流系数KΔI,它是一个非常有用的设计参数,因为它直接影响输出电感的大小。
纹波电流系数KΔ也影响峰值初级电流和输出电容中的RMS电流。
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penging34
LV.4
17
2016-02-03 14:40
@tingch223
在使用无源PFC输入电路(AC输入端使用一个很大的电感)时,设计者要小心地选取tC的数值。因为这种方法极大地增加了二极管的导通时间。
电感中的纹波电流取决于变换器的工作状态,一般来讲,KΔI依据如下关系式随占空比而变化。
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zhenjor55
LV.3
18
2016-02-04 11:51
@penging34
纹波电流系数KΔ也影响峰值初级电流和输出电容中的RMS电流。
对于耦合电感而言,KΔI表示的是总的安匝数的纹波分量,而不是表示某个独立绕组的纹波电流数值,这点需要注意。
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zhenjor55
LV.3
19
2016-02-04 11:52
@tingch223
要使用线性稳压器的输入电压而不是稳压后得到的输出电压来计算总的输出功率。线性稳压器的损耗也是变换器负载的一部分。
变压器的圈数比是依主输出绕组而计算出来的。初级至主输出的圈数比由输入和输出电压以及最大占空比所决定。
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zhenjor55
LV.3
20
2016-02-04 11:53
@tingch223
峰值初级电流可以通过变压器的圈数比及输出电感中的纹波电流计算出来。
最大占空比则被设计者所设定的最大漏极至源极电压所限定,此设计能够保证变压器复位的最大占空比为0.74
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tingch223
LV.4
21
2016-02-04 12:10
@tingch223
要使用线性稳压器的输入电压而不是稳压后得到的输出电压来计算总的输出功率。线性稳压器的损耗也是变换器负载的一部分。
漏感必须减小才能降低功率损耗,同时箝位电路也才能够正常工作。漏感在次级侧使得续流二极管的关断出现延迟,从而降低了次级电路的有效占空比。
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tingch223
LV.4
22
2016-02-04 12:11
@zhenjor55
在主要功率元件的数值确定以后,需要检查电压和电流的应力,选择具有合适额定值的元件。
如果辅助输出采用DC叠加方式,则主输出绕组中所流过的电流包括主输出本身的电流加上叠加的辅助输出的电流。
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tingch223
LV.4
23
2016-02-04 12:14
@zhenjor55
最大占空比则被设计者所设定的最大漏极至源极电压所限定,此设计能够保证变压器复位的最大占空比为0.74
计算偏置绕组的圈数比,使得偏置电压高于八伏。该数值等于5.8 V的控制引脚电压加上在VDROPOUT时光耦器镜像三极管2.2 V的饱和电压。
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penging34
LV.4
24
2016-02-04 17:59
@tingch223
计算偏置绕组的圈数比,使得偏置电压高于八伏。该数值等于5.8V的控制引脚电压加上在VDROPOUT时光耦器镜像三极管2.2V的饱和电压。
光耦器镜像三极管的击穿电压要高于在最高瞬态输入电压情况下的偏置电压。
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penging34
LV.4
25
2016-02-04 18:02
@tingch223
如果辅助输出采用DC叠加方式,则主输出绕组中所流过的电流包括主输出本身的电流加上叠加的辅助输出的电流。
由于所有的圈数比都是基于主输出绕组来定义的,因而主输出绕组的圈数比为1。
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penging34
LV.4
26
2016-02-04 18:05
@zhenjor55
对于耦合电感而言,KΔI表示的是总的安匝数的纹波分量,而不是表示某个独立绕组的纹波电流数值,这点需要注意。
在最差的情况下,励磁电流引起的此估计的峰值数值增加量通常低于10%的水平。
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zhenjor55
LV.3
27
2016-02-04 20:39
@penging34
选用的TOPSwitch-GX必须有足够高的限流点以处理最大稳态负载所需的功率,同时其限流点还要留有足够的额外裕量以满足峰值负载及负载瞬态变化的要求。
对于工作于连续导通方式的变换器,采用普通的散热设计时,建议器件工作的限流点不要高于其流限值的80%。
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zhenjor55
LV.3
28
2016-02-04 20:41
@penging34
光耦器镜像三极管的击穿电压要高于在最高瞬态输入电压情况下的偏置电压。
采用适当的复位电路以后,即使不使用空气气隙也不会有变压器饱和的问题。
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tingch223
LV.4
29
2016-02-05 09:49
@zhenjor55
采用适当的复位电路以后,即使不使用空气气隙也不会有变压器饱和的问题。
设计中使用的箝位电路,可以对峰值磁通密度加以限制,同时箝位电路在复位期间还能产生负向的励磁电流。
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tingch223
LV.4
30
2016-02-05 09:56
楼主推荐的这个产品设计是PI的经典之作,感谢推荐。补充说下,复位期间的负向励磁电流阻止了在连续的开关周期之内变压器磁通的累计增加。
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penging34
LV.4
31
2016-02-05 13:35
@zhenjor55
对于工作于连续导通方式的变换器,采用普通的散热设计时,建议器件工作的限流点不要高于其流限值的80%。
使用变压器设计中得到的实际圈数来计算初级的峰值和RMS电流。在进行变压器设计之前,使用理想的圈数比来对初级电流加以估算。
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