RCC電路在星用開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用

王衛(wèi)國(guó),張 乾

(蘭州物理研究所,甘肅 蘭州730000)

0 引 言

反激式自激變換器就是我們通常所指的RCC(Ringing Choke Converter)電路,變壓器(儲(chǔ)能電感)的工作模式處于臨界連續(xù)狀態(tài),可以方便地實(shí)現(xiàn)電流型控制,在結(jié)構(gòu)上是單極點(diǎn)系統(tǒng),容易得到快速穩(wěn)定的響應(yīng),廣泛應(yīng)用于50 W以下的開(kāi)關(guān)電源中。由于要維持臨界連續(xù)模式,并且變壓器原邊電流上升受輸入電壓影響,因此開(kāi)關(guān)工作頻率受輸入電壓和輸出電流的影響,占空比也受輸入電壓的影響。在輸入電壓最高和空載時(shí),工作頻率最高。也正是因?yàn)楣ぷ黝l率波動(dòng)較大,濾波電路的設(shè)計(jì)也相應(yīng)較難。

相對(duì)于它的缺點(diǎn),RCC電路的優(yōu)勢(shì)也比較突出。首先是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,只需要少數(shù)分離原件就可以得到需專(zhuān)用芯片才能實(shí)現(xiàn)的電壓輸出性能,通過(guò)良好的設(shè)計(jì)可以獲得高效和可靠的工作。其次,許多與驅(qū)動(dòng)有關(guān)的困難(驅(qū)動(dòng)波形、變壓器飽和等)在自激變換器中得到很好的解決。而且,由于總是工作于完全能量傳遞模式,副邊整流二極管正向?qū)娏鞯搅?反向恢復(fù)電流和損耗很小,產(chǎn)生的振鈴相對(duì)于不完全能量傳遞模式要小很多,因此輸出的高頻雜音也要小很多。另外,原邊主管開(kāi)通始終是零電流,因此效率較高。

早期的RCC變換器只適用于小功率100 W以下的開(kāi)關(guān)電源。近年來(lái),隨著研究的深入,改進(jìn)后的RCC電路解決了交叉導(dǎo)通和變壓器飽和等許多棘手問(wèn)題,其廉價(jià)、高效、可靠的性能備受人們青睞。它的工作形式是完全能量傳遞型,用電流容易實(shí)現(xiàn)。在結(jié)構(gòu)上是單極點(diǎn)系統(tǒng),容易得到快速穩(wěn)定的響應(yīng)。為了減少傳統(tǒng)RCC變換器存在的開(kāi)關(guān)損耗,提高效率,增大其輸入電壓的適應(yīng)范圍,改進(jìn)型RCC電路加入了恒流激勵(lì)以及延遲導(dǎo)通電路。由于增加了恒流激勵(lì)以及延遲導(dǎo)通電路,其振蕩分析與傳統(tǒng)的RCC變換器有些不同,雖然其電路比較復(fù)雜,但性能大有改善,能在DC127 V～DC396 V范圍內(nèi)正常工作,可提供250 W以上功率,其性?xún)r(jià)比大有提高。

本文介紹的單管RCC電路根據(jù)其在小負(fù)載下自身功耗小,對(duì)輸入電壓的變化適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn),可作為星用開(kāi)關(guān)電源的隔離啟動(dòng)電路。從而簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu),提高電源的可靠性。

1 星用開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)和自持供電電路

啟動(dòng)與自持供電電路是為開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)壓控制電路和功率變換驅(qū)動(dòng)電路提供輔助電源而設(shè)置的。以保證開(kāi)關(guān)電源在輸入電壓寬范圍變化時(shí),穩(wěn)壓控制電路的供電電壓基本穩(wěn)定,同時(shí)對(duì)于小功率電源而言,有利于降低二次電源自身功耗。啟動(dòng)和自持供電電路的負(fù)載功率一般小于0.5 W,其電路設(shè)計(jì)力求簡(jiǎn)單可靠和功耗小。常用啟動(dòng)與自持電路拓?fù)溆幸韵聨追N:

1.1 隔離啟動(dòng)和主變壓器附加繞組自持供電線(xiàn)路

由圖1可見(jiàn),脈寬調(diào)制器與一次母線(xiàn)電源直流電位完全隔離。這樣就可以將脈寬調(diào)制器接在開(kāi)關(guān)電源的輸出電路中,進(jìn)行負(fù)載端直接取樣的穩(wěn)壓控制技術(shù)方案,實(shí)踐表明:這種穩(wěn)壓方式十分有利于實(shí)現(xiàn)電源的高穩(wěn)定和瞬態(tài)響應(yīng)能力。這種拓?fù)涞娜秉c(diǎn)是,由于隔離啟動(dòng)電路不適應(yīng)寬輸入電壓,當(dāng)要求開(kāi)關(guān)電源輸入電壓變化范圍很寬時(shí),這種拓?fù)洳贿m用。同時(shí)隔離啟動(dòng)電路的功耗比較大,對(duì)于母線(xiàn)電壓比較高的場(chǎng)合,將大大降低電源的效率。

圖1 隔離啟動(dòng)和主變壓器附加繞組自持供電線(xiàn)路拓?fù)?/p>

1.2 輸入電壓降壓穩(wěn)壓?jiǎn)?dòng)電路拓?fù)?/h3>

由圖2可見(jiàn),這種電路由于負(fù)載功率小于0.4 W,采用三極管三端穩(wěn)壓電路,可允許輸入電壓在很寬的范圍內(nèi)變化。這種穩(wěn)壓?jiǎn)?dòng)電路在低輸入電壓下可考慮不需要自持供電。該電路的不足之處是輸入電壓較高時(shí),電路的功耗較大,影響了電源的效率。

圖2 輸入電壓降壓穩(wěn)壓?jiǎn)?dòng)電路拓?fù)?/p>

1.3 單管RCC電路拓?fù)?/h3>

這種電路拓?fù)湟话惴Q(chēng)之為“帶扼流圈的激振變換器”,是輸出容量低于50 W的電源經(jīng)常采用的方式。因?yàn)樗鼘儆谧约な?故不要振蕩電路,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其振蕩頻率因輸入電壓和輸出電流的不同而有變化?；倦娐啡鐖D3所示。

圖3 單管RCC電路

試驗(yàn)結(jié)果表明,RCC電路在很小負(fù)載功率下,自身功耗較小,尤其是在空載情況下自身功耗不高于0.5 W。同時(shí)適應(yīng)輸入電壓寬范圍變化。以上兩個(gè)優(yōu)勢(shì),決定了其可以應(yīng)用在開(kāi)關(guān)電源的啟動(dòng)電路中,用它做啟動(dòng)電路可以省去自持供電電路。

2 星用開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)壓反饋控制電路拓?fù)?/h2>

星用開(kāi)關(guān)電源輸入、輸出必須采用磁隔離技術(shù),因此,針對(duì)不同的啟動(dòng)電路,其穩(wěn)壓反饋控制電路拓?fù)涫遣煌?。適用于星用開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)壓反饋控制電路拓?fù)溆幸韵聨追N:

2.1 負(fù)載端直接采樣反饋穩(wěn)壓控制電路拓?fù)?/h3>

圖4所示為隔離式電壓型PWM控制電路。從圖中可以看出,脈寬調(diào)制器(PWM)通過(guò)隔離啟動(dòng)變壓器、自持供電變壓器、功率驅(qū)動(dòng)變壓器、輸出變壓器,與+28 V輸入電源完全隔離。PWM直接與電源的輸出采樣電路連接。這種拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是:穩(wěn)壓控制反饋電路沒(méi)有電抗元件,控制環(huán)路穩(wěn)定性好,瞬態(tài)響應(yīng)好,電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。不足之處是啟動(dòng)功耗大,不適應(yīng)輸入電壓寬范圍變化等。該拓?fù)渲袉?dòng)電路采用單管RCC電路可以有效地解決這些問(wèn)題,同時(shí)還可以省去自持供電電路。因此,圖4所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是目前比較理想的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖4 隔離啟動(dòng)與隔離驅(qū)動(dòng)兼負(fù)載端直接采樣反饋穩(wěn)壓控制電路拓?fù)?/p>

2.2 負(fù)載端直接采樣隔離反饋穩(wěn)壓控制電路拓?fù)?/h3>

圖5 穩(wěn)壓?jiǎn)?dòng)與直接驅(qū)動(dòng)兼負(fù)載端直接采樣隔離反饋穩(wěn)壓控制電路拓?fù)?/p>

圖5所示拓?fù)鋯?dòng)電路為降壓穩(wěn)壓,直接啟動(dòng)電路。穩(wěn)壓控制方案采用負(fù)載端直接采樣磁隔離反饋的技術(shù),如圖5所示,UC1901是穩(wěn)壓控制磁隔離反饋的專(zhuān)用集成電路,有高可靠質(zhì)量等級(jí)的產(chǎn)品。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)就是穩(wěn)壓?jiǎn)?dòng)電路功耗比較大,對(duì)于母線(xiàn)輸入電壓比較高的場(chǎng)合,自持電路不可省去;同時(shí)高質(zhì)量等級(jí)的UC1901價(jià)格比較昂貴,增加了電源的成本。

2.3 其它隔離反饋穩(wěn)壓控制電路拓?fù)?/h3>

和降壓穩(wěn)壓、直接啟動(dòng)電路相適應(yīng)的隔離反饋穩(wěn)壓電路還有很多種,圖6是其中的一種,但相對(duì)于圖4、圖5所示的拓?fù)涠?這些拓?fù)湓陔娐方Y(jié)構(gòu)上比較復(fù)雜,較少采用。

圖6 其它隔離反饋穩(wěn)壓控制電路拓?fù)?/p>

3 單管RCC電路的工作原理和變壓器設(shè)計(jì)實(shí)例

從前面的分析中可以看出采用單管RCC電路作為隔離啟動(dòng)電路,不僅可以省去自持供電電路,而且簡(jiǎn)化了穩(wěn)壓反饋控制電路,明顯提高了小功率電源的效率,是目前比較理想的啟動(dòng)電路。本文以下部分將進(jìn)一步分析單管RCC電路的工作原理以及變壓器的設(shè)計(jì)。

3.1 RCC電路工作原理

下面說(shuō)明實(shí)際應(yīng)用中RCC電路的工作過(guò)程。圖7給出實(shí)際應(yīng)用最多的RCC方式的基本電路圖。為簡(jiǎn)化穩(wěn)態(tài)分析,可做如下近似:

圖7 單管RCC電路

(1)忽略變壓器漏感對(duì)主管Tr1的集射極電壓UCE的影響,實(shí)際使用時(shí)需要RCD箝位;

(2)主電路輸出電容足夠大,輸出繞組電壓箝位于輸出電壓Uo;

(3)穩(wěn)態(tài)時(shí)電容C2上的電壓保持不變;

(4)穩(wěn)態(tài)時(shí)電阻Rg的作用可以忽略。

3.1.1 電路的起動(dòng)

接通輸入電源Uin后,電流 ig通過(guò)電阻 Rg流向開(kāi)關(guān)晶體管Tr1的基極,Tr1導(dǎo)通,ig稱(chēng)為起動(dòng)電流。在RCC方式中,晶體管Tr1的集電極Ic必然由零開(kāi)始逐漸增加,如圖8所示。因此ig應(yīng)盡量小一點(diǎn)。

圖8 晶體管的電流波形

此時(shí)變壓器的次級(jí)繞組Ns處于短路狀態(tài),從輸入一側(cè)看來(lái),電流全部流進(jìn)Np線(xiàn)圈,電阻Rg稱(chēng)為起動(dòng)電阻。

3.1.2 開(kāi)關(guān)晶體管處于ON狀態(tài)時(shí)

一旦Tr1進(jìn)入ON狀態(tài),輸入電壓Uin將加在變壓器的初級(jí)繞組Np上。由匝數(shù)比可知,基極線(xiàn)圈NB上產(chǎn)生的電壓UB為:

該電壓與Tr1導(dǎo)通極性相同,因此UB將維持Tr1的導(dǎo)通狀態(tài),此時(shí)基極電流IB是連續(xù)的穩(wěn)定電流。設(shè)晶體管Tr1的基極—發(fā)射極間的電壓UBEI,二極管D2的正向電壓為UF2,則IB可表示為:

但是,從圖8可知,Tr1的集電極電流IC為一次單調(diào)增函數(shù),經(jīng)過(guò)某一段時(shí)間ton后達(dá)到IC,集電極電流與直流電流放大倍數(shù)hFE之間將呈現(xiàn)如下關(guān)系:

即在上述公式成立的條件下Tr1才能維持ON狀態(tài)。在基極電流不足的區(qū)域,集電極電壓由飽和區(qū)域向不飽和區(qū)域轉(zhuǎn)移。于是,NP線(xiàn)圈的電壓下降,導(dǎo)致NB線(xiàn)圈的感應(yīng)電壓也隨之降低,基極電流IB進(jìn)一步減小。

圖9 RCC方式的開(kāi)關(guān)動(dòng)作

因此Tr1的基極電流不足狀態(tài)不斷加深,Tr1迅速轉(zhuǎn)至關(guān)斷狀態(tài)。

3.1.3 晶體管處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)

如果晶體管處于關(guān)斷狀態(tài),變壓器各個(gè)繞組將產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì),次級(jí)繞組使D4導(dǎo)通,電流i2流過(guò)負(fù)載,經(jīng)過(guò)某一時(shí)間toff后,變壓器能量釋放完畢,電流i2變?yōu)?。但是,此時(shí) Ns繞組上還有極少量殘留的能量,這部分能量再一次返回,使基極繞組NB產(chǎn)生電壓,Tr1再次開(kāi)通,晶體管繼續(xù)重復(fù)前面的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

圖10給出各個(gè)部分的動(dòng)作波形。

圖10 RCC方式的動(dòng)作波形

3.2 變壓器設(shè)計(jì)實(shí)例

本例中RCC啟動(dòng)電路輸入電壓Uin=38 V～46 V,額載下工作頻率 f=100 kHz,啟動(dòng)變壓器磁芯采用美國(guó)MAGNETICS公司的MPP55045A2。

根據(jù)公式(4)計(jì)算初級(jí)繞組所需的電感量Lp:

經(jīng)過(guò)計(jì)算得:LP=2.865 mH。

式中,UIN(min)為輸入最小電壓(V);η為預(yù)計(jì)功率轉(zhuǎn)換效率;D為輸入最小電壓時(shí)的占空比;Po為輸出功率(W);t0為導(dǎo)通時(shí)間(s)。

根據(jù)公式(5)計(jì)算原邊繞組的匝數(shù)Np:

式中,LP為原邊繞組電感量(mH);Alg為磁環(huán)每1 000匝電感量(/mH)。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得:NP=92.17匝,取93匝。

根據(jù)公式(6)計(jì)算次級(jí)繞組所需的電感量LS為:

經(jīng)過(guò)計(jì)算得:LS=0.756 mH。

式中,US為次級(jí)電壓(V);U0為輸出電壓(V);UF為整流二極管管壓降(V);I0為負(fù)載電流(A);toff為關(guān)斷時(shí)間(s);LS為次級(jí)繞組電感量(mH)。

根據(jù)公式(7)計(jì)算次級(jí)繞組所需的電感量NS為:

經(jīng)過(guò)計(jì)算得:NS=48匝。

根據(jù)公式(8)計(jì)算反饋繞組所需的匝數(shù)NB為:

經(jīng)過(guò)計(jì)算得:NB≤22.6。取:22匝。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1與表2。

表1 額定負(fù)載(30 mA)下輸出電壓隨輸入電壓變化

表2 42 V下空載和額載下輸出電壓

4 結(jié) 論

從前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出,單管RCC電路無(wú)論是電壓穩(wěn)定度還是負(fù)載穩(wěn)定度都能滿(mǎn)足星用開(kāi)關(guān)電源中作為隔離啟動(dòng)電路的要求,同時(shí)可以省去自持供電電路。用它作為啟動(dòng)電路簡(jiǎn)化了穩(wěn)壓反饋控制電路,降低了電源成本。

[1]張占松,蔡宣三.開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].廣州:電子工業(yè)出版社,2001.

[2]AbrahamI.Pressman著,王志強(qiáng) 譯.開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[3]戶(hù)川治郎.實(shí)用電源電路設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[4]原田耕介.開(kāi)關(guān)電源手冊(cè)(第二版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[5]汪晉寬.RCC方式輸出變壓器漏磁分布及其影響[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào),1998,19(4):41-45.