高手的開關電源設計心得之:反激電源的占空比
今天接著談關于反激電源的占空比(本人關注反射電壓,與占空比一致),占空比還與選擇開關管的耐壓有關,有一些早期的反激電源使用比較低耐壓開關管,如 600V或650V作為交流220V 輸入電源的開關管,也許與當時生產工藝有關,高耐壓管子,不易制造,或者低耐壓管子有更合理的導通損耗及開關特性,像這種線路反射電壓不能太高,否則為使 開關管工作在安全范圍內,吸收電路損耗的功率也是相當可觀的。 實踐證明600V管子反射電壓不要大于100V,650V管子反射電壓不要大于120V,把漏感尖峰電壓值鉗位在50V時管子還有50V的工作余量?,F在 由于MOS管制造工藝水平的提高,一般反激電源都采用700V或750V甚至 800-900V的開關管。像這種電路,抗過壓的能力強一些開關變壓器反射電壓也可以做得比較高一些,最大反射電壓在150V比較合適,能夠獲得較好的綜 合性能。 PI公司的TOP芯片推薦為135V采用瞬變電壓抑制二極管鉗位。但他的評估板一般反射電壓都要低于這個數值在110V左右。這兩種類型各有優缺點:
第一類:缺點抗過壓能力弱,占空比小,變壓器初級脈沖電流大。優點:變壓器漏感小,電磁輻射低,紋波指標高,開關管損耗小,轉換效率不一定比第二類低。
第二類:缺點開關管損耗大一些,變壓器漏感大一些,紋波差一些。優點:抗過壓能力強一些,占空比大,變壓器損耗低一些,效率高一些。
反激電源反射電壓還有一個確定因素
反激電源的反射電壓還與一個參數有關,那就是輸出電壓,輸出電壓越低則變壓器匝數比越大,變壓器漏感越大,開關管承受電壓越高,有可能擊穿開關管、吸收電 路消耗功率越大,有可能使吸收回路功率器件永久失效(特別是采用瞬變電壓抑制二極管的電路)。在設計低壓輸出小功率反激電源的優化過程中必須小心處理,其處理方法有幾個:
1、 采用大一個功率等級的磁芯降低漏感,這樣可提高低壓反激電源的轉換效率,降低損耗,減小輸出紋波,提高多路輸出電源的交差調整率,一般常見于家電用開關電源,如光碟機、DVB機頂盒等。
2、如果條件不允許加大磁芯,只能降低反射電壓,減小占空比。降低反射電壓可減小漏感但 有可能使電源轉換效率降低,這兩者是一個矛盾,必須要有一個替代過程才能找到一個合適的點,在變壓器替代實驗過程中,可以檢測變壓器原邊的反峰電壓,盡量 降低反峰電壓脈沖的寬度,和幅度,可增加變換器的工作安全裕度。一般反射電壓在110V時比較合適。
3、增強耦合,降低損耗,采用新的技術,和繞線工藝,變壓器為滿足安全規范會在原邊和副 邊間采取絕緣措施,如墊絕緣膠帶、加絕緣端空膠帶。這些將影響變壓器漏感性能,現實生產中可采用初級繞組包繞次級的繞法。或者次級用三重絕緣線繞制,取消 初次級間的絕緣物,可以增強耦合,甚至可采用寬銅皮繞制。
文中低壓輸出指小于或等于5V的輸出,像這一類小功率電源,本人的經驗是,功率輸出大于20W輸出可采用正激式,可獲得最佳性價比,當然這也不是決對的, 與個人的習慣,應用的環境有關系,下次談一談反激電源用磁性芯,磁路開氣隙的一些認識,希望各位高人指點。
反激電源變壓器磁芯在工作在單向磁化狀態,所以磁路需要開氣隙,類似于脈動直流電感器。部分磁路通過空氣縫隙耦合。為什么開氣隙的原理本人理解為:由于功 率鐵氧體也具有近似于矩形的工作特性曲線(磁滯回線),在工作特性曲線上Y軸表示磁感應強度(B),現在的生產工藝一般飽和點在400mT以上,一般此值 在設計中取值應該在200-300mT比較合適、X軸表示磁場強度(H)此值與磁化電流強度成比例關系。磁路開氣隙相當于把磁體磁滯回線向X 軸向傾斜,在同樣的磁感應強度下,可承受更大的磁化電流,則相當于磁心儲存更多的能量,此能量在開關管截止時通過變壓器次級瀉放到負載電路,反激電源磁芯 開氣隙有兩個作用。其一是傳遞更多能量,其二防止磁芯進入飽和狀態。
反激電源的變壓器工作在單向磁化狀態,不僅要通過磁耦合傳遞能量,還擔負電壓變換輸入輸出隔離的多重作用。所以氣隙的處理需要非常小心,氣隙太大可使漏感 變大,磁滯損耗增加,鐵損、銅損增大,影響電源的整機性能。氣隙太小有可能使變壓器磁芯飽和,導致電源損壞
所謂反激電源的連續與斷續模式是指變壓器的工作狀態,在滿載狀態變壓器工作于能量完全傳遞,或不完全傳遞的工作模式。一般要根據工作環境進行設計,常規反 激電源應該工作在連續模式,這樣開關管、線路的損耗都比較小,而且可以減輕輸入輸出電容的工作應力,但是這也有一些例外。 需要在這里特別指出:由于反激電源的特點也比較適合設計成高壓電源,而高壓電源變壓器一般工作在斷續模式,本人理解為由于高壓電源輸出需要采用高耐壓的整 流二極管。由于制造工藝特點,高反壓二極管,反向恢復時間長,速度低,在電流連續狀態,二極管是在有正向偏壓時恢復,反向恢復時的能量損耗非常大,不利于 變換器性能的提高,輕則降低轉換效率,整流管嚴重發熱,重則甚至燒毀整流管。由于在斷續模式下,二極管是在零偏壓情況下反向偏置,損耗可以降到一個比較低 的水平。所以高壓電源工作在斷續模式,并且工作頻率不能太高。 還有一類反激式電源工作在臨界狀態,一般這類電源工作在調頻模式,或調頻調寬雙模式,一些低成本的自激電源(RCC)常采用這種形式,為保證輸出穩定,變 壓器工作頻率隨著,輸出電流或輸入電壓而改變,接近滿載時變壓器始終保持在連續與斷續之間,這種電源只適合于小功率輸出,否則電磁兼容特性的處理會很讓人頭痛。
反激開關電源變壓器應工作在連續模式,那就要求比較大的繞組電感量,當然連續也是有一定程度的,過分追求絕對連續是不現實的,有可能需要很大的磁芯,非常 多的線圈匝數,同時伴隨著大的漏感和分布電容,可能得不償失。那么如何確定這個參數呢,通過多次實踐,及分析同行的設計,本人認為,在標稱電壓輸入時,輸 出達到50%~60%變壓器從斷續,過渡到連續狀態比較合適?;蛘咴谧罡咻斎腚妷籂顟B時,滿載輸出時,變壓器能夠過渡到連續狀態就可以了。