RCC電路間歇振蕩分析與改進(jìn)研究*

蔣俊華，侯衛(wèi)周

（河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院，河南 開封475004）

RCC電路間歇振蕩分析與改進(jìn)研究*

蔣俊華，侯衛(wèi)周

（河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院，河南 開封475004）

RCC電路是一種可以用較少的幾個(gè)器件獲得高效工作的電路，但RCC電路在控制電流過(guò)大時(shí)會(huì)有間歇振蕩的弊端現(xiàn)象發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致電路的振蕩頻率變化范圍較大 (可從幾百變到幾千赫茲)，輸出功率較大時(shí)易使變壓器等器件產(chǎn)生異常噪音。此現(xiàn)象并非一無(wú)是處，通過(guò)對(duì)RCC電路改進(jìn)分析得出在電路輸出較小功率時(shí)，給電路加上一個(gè)脈沖信號(hào)便可啟動(dòng)，開關(guān)電路借助間歇振蕩時(shí)工作在低能耗的狀態(tài)；RCC電路性價(jià)比高，成本低廉，在高性能電源設(shè)備使用中能廣泛普及。

RCC；間歇振蕩；低能耗

0 引言

早期的非周期性開關(guān)電源當(dāng)作家用電器的電源以來(lái)都選擇它激式的電路結(jié)構(gòu)，整個(gè)控制過(guò)程是振蕩狀態(tài)與抑制狀態(tài)之間的耗時(shí)之比，故稱其為自激式反激變換器，即 RCC(Ringing Choke Converter)電路[1]。RCC電路始終處于臨界模式的工作狀態(tài)，由于自身變壓器的工作特點(diǎn)，導(dǎo)致其工作頻率與輸出的電流和輸入的電壓密切相關(guān)[2-3]。由于輸入電壓會(huì)改變電路的占空比及開關(guān)管的耐壓要求高，故輕載時(shí)易產(chǎn)生間歇振蕩、干擾等缺陷，這些細(xì)節(jié)在設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)都必須留意[4-7]。盡管 RCC電路擁有一些缺點(diǎn)，但是RCC電路的優(yōu)勢(shì)很明顯：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；大多與驅(qū)動(dòng)相關(guān)的困難(譬如驅(qū)動(dòng)波形的處理、變壓器飽和的處理等)在RCC電路中可以得到較好的解決；輸出高頻的雜音也會(huì)變小[8-10]；整個(gè) RCC電路的效率較高。改進(jìn)后的RCC變換器可消除交叉導(dǎo)通與變壓器飽和等問(wèn)題，且在直流電壓127 V～396 V的范圍內(nèi)正常工作，可提供250 W以上的較高功率，RCC電路的性價(jià)比被大大提升[11-12]。如今 RCC電路優(yōu)越特性已備受大眾喜愛，因此高性能的電源設(shè)備大都使用RCC電路，如低壓小功率模塊電源、家用電器、手機(jī)充電寶等[13-15]。

1 RCC電路介紹

下面主要說(shuō)明RCC電路的工作原理、輸出電壓的穩(wěn)定環(huán)節(jié)和重要參數(shù)的分析與計(jì)算。

1.1 電路工作原理

在輸出的電壓保持一定電壓時(shí)，比較器將會(huì)輸出高電平，振蕩器停止輸出脈沖，開關(guān)管將會(huì)截止；在輸出的電壓減小后，比較器將會(huì)輸出低電平，振蕩器繼續(xù)輸出脈沖，開關(guān)管將會(huì)導(dǎo)通。自非周期性開關(guān)電源作為家用電器電源以來(lái)，普遍采用了自激振蕩結(jié)構(gòu)來(lái)簡(jiǎn)化之前繁瑣的電路。整個(gè)控制過(guò)程是振蕩狀態(tài)與抑制狀態(tài)之間的耗時(shí)之比，故稱其為自激式反激變換器。圖1是實(shí)際生活中應(yīng)用最廣泛的RCC工作原理圖。

圖1 RCC電路工作原理圖

為方便分析RCC電路，特做如下假設(shè)：

(1)不計(jì)變壓器漏感電流對(duì)電路主管 Tr1的 Vce的影響；(2)不計(jì)輸出濾波電感對(duì)電路的影響；(3)電容 C2的分壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)恒定；(4)電阻Rg穩(wěn)態(tài)時(shí)忽略不計(jì)。

1.1.1 RCC電路的起動(dòng)

電源Vin接通之后，電流ig經(jīng)電阻Rg注入電路主管Tr1基極。當(dāng)達(dá)到并超過(guò) Tr1的閾值電壓時(shí)，Tr1開始導(dǎo)通，這里的電流 ig稱為起動(dòng)電流，電阻 Rg稱為起動(dòng)電阻。

1.1.2 開關(guān)管Tr1處于ON狀態(tài)

當(dāng)Tr1處于ON狀態(tài)時(shí)，Vce非常小，可忽略不計(jì)。由圖1可知Vb與主管導(dǎo)通的極性一致，所以主管 Tr1在Vb的作用下維持導(dǎo)通狀態(tài)。令主管Tr1基極與發(fā)射極之間的壓降為Vbe1，二極管 D2的正向壓降是 Vf2。初級(jí)繞組 Np的壓降為 Vin，繞組 Nb的分壓 Vb如式(1)，基極電流 Ib如式(2)：

可見，基極電流 Ib是連續(xù)而又穩(wěn)定的電流。然而，晶體管Tr1的集電極電流 Ic是單調(diào)遞增函數(shù)，當(dāng)其增至一定值時(shí)，假設(shè)經(jīng)過(guò)了 Ton的時(shí)間，基極電流 Ib會(huì)出現(xiàn)不足以維持繼續(xù)增長(zhǎng)的情況。進(jìn)而使晶體管Tr1由飽和區(qū)進(jìn)入不飽和區(qū)，此時(shí) Vce將會(huì)增大，即分得一部分 Vin，顯然初級(jí)繞組 Np所分得的電壓將會(huì)減少。由式(2)可知，Vb也會(huì)隨之減小，那么基極電流 Ib會(huì)更顯不足，主管 Tr1會(huì)迅速進(jìn)入OFF狀態(tài)。

1.1.3 開關(guān)管Tr1處于OFF狀態(tài)

在開關(guān)管Tr1由ON狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镺FF狀態(tài)的同時(shí)，變壓器的磁通量會(huì)發(fā)生改變。而磁通量的改變，導(dǎo)致變壓器次級(jí)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反向，D4導(dǎo)通，產(chǎn)生電流 i2，向負(fù)載提供功率。一段時(shí)間之后，令其為 Toff，變壓器所儲(chǔ)存的能量會(huì)釋放完全，電流i2降為0。然而變壓器原邊線圈還存有少許能量，這部分能量驅(qū)動(dòng)線圈Nb產(chǎn)生正向感應(yīng)電壓，主管 Tr1啟動(dòng)進(jìn)入 ON狀態(tài)，晶體管完成一次開關(guān)動(dòng)作。

1.2 輸出電壓穩(wěn)定環(huán)節(jié)

1.2.1 變壓器的工作頻率

RCC電路的穩(wěn)壓器實(shí)質(zhì)上是利用次級(jí)繞組在OFF狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載。變壓器儲(chǔ)能的單位時(shí)間的釋放量與輸出功率關(guān)系如式(3)，式中：Lp為初級(jí)繞組的電感，f為變壓器的工作頻率。

1.2.2 穩(wěn)壓二極管的目的

RCC電路穩(wěn)壓基本原理如圖2所示。

圖2 RCC穩(wěn)壓電路

由上分析，晶體管Tr1由ON狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镺FF狀態(tài)的主要原因是集電極電流Ic是單調(diào)遞增函數(shù)，當(dāng)其增至一定值時(shí)，基極電流Ib會(huì)出現(xiàn)不足以維持繼續(xù)增長(zhǎng)的情況。在穩(wěn)壓二極管 Dz、主管 Tr1的基極—發(fā)射極、電容C2組成的回路中，利用KVL定律得式(4)：

式中 Vbe2為此時(shí)主管 Tr1的基極—發(fā)射極的壓降。由式(4)知在 Dz導(dǎo)通時(shí)，完成對(duì)驅(qū)動(dòng)電流Id的引流，保證了晶體管的OFF狀態(tài)。

1.2.3 輸出電壓的精度調(diào)節(jié)

由變壓器的特性易得，圖1中繞組Nb的電壓值Vb與輸出繞組NS的電壓值Vs如式(5)：

當(dāng) Vbe2、Vf3、Vf4的值較小，可以忽略不計(jì)，由式(4)和式(5)得式(6)：

式(6)表明，輸出電壓 Vo與穩(wěn)壓二極管的導(dǎo)通電壓Vz成正比，即輸出電壓與穩(wěn)壓二極管的精度一致。

1.3 兩個(gè)重要參數(shù)的分析與計(jì)算

1.3.1 振蕩占空比D的分析與計(jì)算

在對(duì)RCC電路的占空比D分析之前，對(duì)圖1變壓器部分電路進(jìn)行必要的近似與簡(jiǎn)化后如圖3所示。

圖3 圖1部分電路簡(jiǎn)化和等效

分析圖3得知電流i1隨著時(shí)間t的增加而增加，在t=Ton時(shí)，初、次級(jí)線圈的最大電流值 i1p和 i2p為：

進(jìn)一步可以得到次級(jí)電路的電流瞬時(shí)值 i2，當(dāng) t=Toff時(shí)，變壓器儲(chǔ)能釋放完全，如式(9)和式(10)：

由式(6)、式(10)和占空比定義可得式(11)和式(12)：

1.3.2 振蕩頻率的分析與計(jì)算

按照振蕩頻率f的定義，由式(6)、式(10)得：

次級(jí)繞組包括Ns和為晶體管Tr1的基極提供驅(qū)動(dòng)電流的繞組Nb，Nb的存在直接影響了式(6)的合理性。通過(guò)對(duì)上述分析過(guò)程再做一個(gè)定性的校正：首先繞組Nb的存在將會(huì)分得變壓器的部分儲(chǔ)能，次級(jí)電路電流的最大值 i2p將會(huì)減??；其次 i2p減小，即式(6)的比值將會(huì)減小，凡依此值為基礎(chǔ)的計(jì)算結(jié)果都將做出微調(diào)，即i2會(huì)減小，Toff會(huì)減小，占空比 D會(huì)增大，振蕩頻率 f會(huì)增大。

2 RCC電路基極驅(qū)動(dòng)的分析與改進(jìn)

2.1 RCC電路基極驅(qū)動(dòng)

RCC電路的繞組 Nb為晶體管 Tr1的基極提供驅(qū)動(dòng)電流 Id，流過(guò)基極電阻 Rb，此時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生損耗[6]。繞組 Nb的電壓 Vb與輸入電壓 Vin呈正比，驅(qū)動(dòng)電流 Id也相應(yīng)增大，基極驅(qū)動(dòng)的損耗將會(huì)急劇增大。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流Id的增大，也會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)壓電路的分流增大，易引起電路的間歇振蕩，進(jìn)而產(chǎn)生異常的噪音。

2.2 RCC電路基極驅(qū)動(dòng)恒流部分設(shè)計(jì)

基極驅(qū)動(dòng)之所以會(huì)出現(xiàn)上述的問(wèn)題，根本原因在于驅(qū)動(dòng)電流Id會(huì)隨著輸入電壓 Vin的增大而增大。一旦獲得恒流驅(qū)動(dòng)，即驅(qū)動(dòng)電流Id恒定，即可解決上述問(wèn)題。對(duì)基極驅(qū)動(dòng)進(jìn)行改進(jìn)如圖4所示。在恒流源起作用時(shí)，Dz1此時(shí)并未導(dǎo)通，因?yàn)樗窃谥鞴躎r1處于OFF狀態(tài)起作用。此時(shí)穩(wěn)壓管 Dz2、基極電阻 Rb、主管Tr1的基極-發(fā)射極、二極管構(gòu)成了回路。當(dāng)Ib隨著Vin的增大而增大時(shí)，基極電阻Rb的壓降VRb將會(huì)增大，致使穩(wěn)壓管 Dz2導(dǎo)通，將Tr2進(jìn)行箝位，從而形成恒流驅(qū)動(dòng)。這樣就解決了基極電阻Rb損耗問(wèn)題以及間歇振蕩問(wèn)題。

圖4 基極恒流驅(qū)動(dòng)

3 RCC電路的設(shè)計(jì)方法

RCC電路設(shè)計(jì)主要涉及功率、主電路、控制電路等的設(shè)計(jì)。下面結(jié)合如圖5所示的例子進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

主要技術(shù)參數(shù)：(1)輸入電壓AC：150 V～250 V，頻率50 kHz；(2)輸出電壓5 V，輸出電流 0.3 A；(3)穩(wěn)壓精度：10%；(4)工作效率〉75%。計(jì)算時(shí)取輸入電壓的最小值150 V、輸出電流的最高值，則振蕩頻率 f=50 kHz，占空比取0.4。

圖5 某改進(jìn)型RCC電路

3.1 變壓器的電感與匝數(shù)

由理論分析可知，流經(jīng)繞組 Np的電流 i1(Ic)為三角波，若取工作效率 η=75%，則輸入電流的平均值 i1(ave)與i1的最大值 i1p如式(14)，由變壓器的伏秒平衡原則[7]，得出式(15)，同時(shí)變壓器主要參數(shù)易于計(jì)算。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，取 Ns=4，則 Np=71。若令 Nb最小驅(qū)動(dòng)電壓Vb=6 V，可得出Nb=3。

3.2 RCC穩(wěn)壓電路的計(jì)算

主管Tr1處于OFF狀態(tài)的情況下，穩(wěn)壓電路支路開始工作，此時(shí)由變壓器匝數(shù)比易得繞組Nb的電壓Vb= 4.28 V。在圖 2中由穩(wěn)壓管 Dz、主管 Tr1的基極-發(fā)射極、電阻 R2、電容 C5組成的回路中，忽略電阻 R2，可得穩(wěn)壓管Dz的電壓Vz=Vbe+VC5=4.28 V。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)RCC電路的工作原理及其基極驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行分析與說(shuō)明，在作了近似與簡(jiǎn)化前提下，具體分析和計(jì)算了變壓器工作效率、連接穩(wěn)壓二極管目的及其如何工作、輸出電壓的精度及其與穩(wěn)壓二極管的精度如何構(gòu)成聯(lián)系；在RCC電路選取了振蕩占空比、振蕩頻率等參數(shù)的分析和計(jì)算；提出了基極驅(qū)動(dòng)的恒流設(shè)計(jì)的解決辦法；對(duì)輸出為5 V/0.3 A的 RCC電路進(jìn)行了實(shí)例分析與計(jì)算，并對(duì)一種新型RCC電路的充電器進(jìn)行了簡(jiǎn)要的結(jié)構(gòu)分析，得出RCC電路具有成本低廉、性能優(yōu)越、效率高效等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)一系列的研究與改進(jìn)，新型RCC電路的優(yōu)勢(shì)能得到大幅度的提高，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)得以擴(kuò)大。

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Analysis and research on intermittent oscillatory of RCC circuit

Jiang Junhua，Hou Weizhou
(Physics and Electronics College,Henan University，Kaifeng 475004，China)

RCC circuit is a kind of high efficient working circuit by use of several devices,but excessive control current will cause the occur of intermittent oscillation，and the oscillation frequency of the circuit changes in the large scope from hundreds of hertz to several thousand hertz.The output power is more likely to make the transformer device to produce abnormal noise.But this phenomenon are not completely useless，after improving the RCC circuit，it can be concluded that the circuit can start in applying a pulse signal if the output power is small.The switch circuit operates in low-power state by means of intermittent oscillation.The result is that RCC circuit has high performance price ratio and low cost,so it is widely popular in high performance power supply equipment.

RCC；intermittent oscillation；low-power

TN702

：A

：0258-7998(2015)03-0126-04

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.03.033

2014-10-30)

蔣俊華(1982-)，女，講師，主要研究方向：電子電路。

國(guó)家青年科學(xué)基金項(xiàng)目(11103002)

侯衛(wèi)周(1974-)，通信作者，男，副教授，主要研究方向：電子線路應(yīng)用與分析，E-mail：hwz204@163.com。