准谐振+同步整流,12V2A输出,目标效率86%

输入:AC176-242V     

输出:12V2A

效率:86%(目标)【46贴:第一次测试90%】

纹波:≤80mv

以前没做过准谐振,这次找个小功率试一下。准谐振芯片用的ICE2QS03G。

我分析一下准谐振,供大家参考,有什么不对的地方欢迎拍砖!

说准谐振得先说反激:

图1所示为反激式开关电源的基本电路原理图VT为开关管。Lp为初级电感量,包括Lm和Lk(漏感)。D1为整流管。Vin为输入的直流电压Cd代表漏-源总的电容,包括MOS开关管D-S电容,变压器线圈的寄生电容和电路中其他的离散电容。

图2为反激电源的工作波形。对于反激式开关电源,开关管是在电流最大时关断的,因而会产生关断损耗。对于工作与CCM模式的电源,MOS管开通电压为Vin;对于DCM来说,MOS管的导通发生在震荡的任何情况,可能是谷底也可能在峰顶。这样损耗都比较大。

图3、4、5为准谐振Vds波形,从图中能看出,MOS管是在震荡的谷底开通,这样就减少了开通损耗。准谐振芯片就是检测Vds震荡波形的谷底,控制MOS管在谷底导通,这样比普通的反激导通损耗低。(有的文章说如果设计的好还可以降低关断损耗,这点我不认同,有哪位大神可以给解惑么?)我认为准谐振不能减少关断损耗。

以前没接触过准谐振,所以DATASHEET对我来说很重要。

特点

  • 除了低负载的情况,都工作在准谐振模式
  • 为了获得低的待机功耗,在轻载或没有负载的情况下工作在主动突发模式
  •  随着负载的减小频率降低
  • 启动单元,开机后给VCC恒流充电
  • 内置数字软启动
  • 检测校正和逐周期电流峰值限制
  • VCC过压、欠压,电路开环、过载保护,可自动重启
  • 可调的输出过压保护和线圈短路保护都是锁存模式

其实是有谐振电流的,只不过很小。你是看的图4、5吧,那个电流波形是测的初级Rsense的两端电压,Rsense本身比较小,所以显示不出来。我是这样理解的。

普通反激也是有震荡的,它的导通不一定在谷底。准谐振就是检测到震荡的谷底,控制MOS在谷底导通,来减少损耗。

引脚:

和普通的反激芯片差不多,就是1脚:过零检测不一样。他是通过检测辅助绕组线圈上的电压(注意不是VCC),来判断是否震荡到谷底。

开始布局:这是基本布局,可能还会有改动。投板之前都有可能改。

布局1

 布局2

布局3

上骨架磁芯参数。

变压器的封装是根据以下几幅图画出来的。

PCB板子画好了,大家看看,有什么不好的地方一定要告诉我。

画这个板子改了好几次,挺麻烦的。大家看看我次级电流走线还有问题么?

布局4

布局4(a)

布局4(b)

这几天走线发现一点疑惑,次级电流要怎么走线。正、负都要经过电容好,还是只有一条电流线(正或负)经过电容就可以了。 我上传几张图大家看看。

次级走线

走线A:电流正和负都经过了2个电容。

走线B:电流的正经过了2个电容,电流的负分别经过1个电容。  

可能表达不太清楚,你们结合着PCB看。A、B两种走线那个效果好???

看看我绕的变压器。RM8有点小,第一个骨架不小心弄坏了。

变压器设计:

变压器我是这么算的,哪位有更好的方法不妨拿出来一起探讨。

我的PCB正在制作中

上几张焊接的图片,变压器还没弄好...

该调试了,想加电试一下。先不加强电,只加VCC看看芯片能工作么。上传几个VCC的资料。

通过这三张图就知道了VCC的启动和关闭阀值,极限值,启动过程。

忘记上裸板了,补上

加了一下高压,上两张图大家看看。 电压和输入功率可以看到,电流不太好看,电流表我选的3A档,指针指在三分之二处就是2A。

测试1:

Pin=26.9W

Pout=12.213*2=24.426W

效率=Pout/Pin=24.426/26.9=90.8%

测试2:

Pin=27.1W    

Pout=12.213*2=24.426W      

效率=Pout/Pin=24.426/27.1=90.13% 

这两张是我测试的波形

前两张测试图中的示波器接法,示波器的夹子夹输出GND,钩子钩在同步MOS的G。

再来一张电源的正面图

MOS管旁边,两根比较长的线是辅助绕组。初级和次级出线比较短。

准谐振 MOS管DS波形。测试电压超过了我示波器的显示范围。只能凑合看了。

图1-4,负载逐渐加大。

图1:MOS管在第七个波谷导通。

图2:MOS管在第四个波谷导通。

图3:MOS管在第二个波谷导通。

图4:MOS管在第一个波谷导通。

遇到问题了,第一次加电的时候就大概看了一下。空载的时候输出不稳定锯齿波明显,突然加载后输出下降到0再升高到12V。满载频率只有30K。

哪位大神给知道知道啊?

空载:输出锯齿波,幅度有1V了

空载突然加载:电压下降到0,然后输出才正常,加载波形倒是很稳定。

满载:频率只有30KHz。

可以了,确实是光耦和TL431那里不合适。把R13改为了680,R12改成了1.2K。现在空载效果挺好的。空载纹波只有40mV,突然加载电压也不下降了。

R13改为了680,R12改成了1.2K之后空载纹波。

R6和R7是0电压检测用和过压检测用的,但是文档上最后说的调整电流限制不太懂,我把它们调到了5.1K和24K,限流没明显变化啊。

R6和R7可以确定过压保护点。 变压器次级8圈,辅助10圈。所以过压点={【(3.7/10)*(43+10)】/10}8=15.688V。所以我的过压点设置的15.688V。具体没试过(理论计算)。

测了一下纹波有点问题,幅度都有128mV了。离目标(80mV)有点距离啊。

一套的器件加起来有19.6元,自己买的器件量小有点贵。还有一些贴片0805,1206,1210的电阻电容用的公司的,没算这些的价格。

纹波改好了,短路输出电感L1就行了,现在纹波有70mV满足我的要求。

改动TL431 A,K之间的电阻电容没效果,在过流检测脚加电容也不行,只有短路输出电感L1就好了。

我这个电源是准谐振+同步整流。下面我说一下我的同步整流。

开关电源的损耗主要由3部分组成:功率开关管的损耗,高频变压器的损耗,输出端整流管的损耗。在低电压、大电流输出的情况下,整流二极管的导通压降较高,输出端整流管的损耗尤为突出。快恢复二极管(FRD)或超快恢复二极管(SRD)可达1.0~1.2V,即使采用低压降的肖特基二极管(SBD),也会产生大约0.6V的压降,这就导致整流损耗增大,电源效率降低。

就用我的电源作比较。

二极管整流:次级如果我用0.6V压降的肖特基,肖特基的损耗大概为:Io*Vf=2A*0.6V=1.2W

同步整流:次级如果我用内阻为40mO的mos管的话,mos管的损耗大概为Io2*R=22*0.04=0.16W

理论上我节省的损耗为:1.2W-0.16W=1.04W

这是我同步整流电路图,用Q2代替二极管就是同步整流了。Nmos的源极和漏极之间有体二极管,当源极-漏极有电流流过时,Q2导通(降低了损耗),当电流小的时候Q2截止,这就是同步整流。

同步整流芯片我用的是IR1166S,这个芯片就是控制Q2的导通和断开。它的供电为11.3到20V,所以我直接从输出去电,方便简单。

大电流的时候同步整流可以降低损耗提高效率这是毋庸置疑的。但是它也优缺点:首先增加了成本,同步芯片+mos管+电阻电容的成本大于一个二极管;同步整流电路比一个二极管复杂,这有增加了不可靠性,电路越简单越可靠。

所以用不用同步整流要多方面考虑,看自身情况而定!!!

上同步的电路图和工作时的波形。

示波器的夹子夹在变压器8脚上,蓝色的钩子钩在变压器7脚上。黄色的钩子钩在MOS管Q2的G。

当变压器给电容充电、负载提供能量时,变压器的7脚电压高于8脚电压。同步整流芯片会有一个延迟让同步MOS管导通。当变压器开始存储能量时,变压器7、8脚之间的电压减小,这时同步整流芯片控制同步MOS关断。

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  • zqf12345 03-11 20:13
    能否分享一下资料
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  • scynliaogg 2021-04-02 19:55
    输出电解逆时针转90度,输出正负极换个位置。走线还要优化一下,成本高了,做着玩很错了。
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  • 阳光帝国 2020-11-02 09:08
    对我很有帮助
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  • dy-uaFfXUVL 2020-09-15 22:54
    次级走线感觉不顺啊
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