可開關(guān)控制的RCC電源設(shè)計(jì)及優(yōu)化

汪曉文，馬文博，榮 焱，武 榮

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 甘肅 蘭州730000）

可開關(guān)控制的RCC電源設(shè)計(jì)及優(yōu)化

汪曉文，馬文博，榮 焱，武 榮

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 甘肅 蘭州730000）

設(shè)計(jì)了一種具有開關(guān)控制功能的RCC電源，外部的控制信號(hào)可通過(guò)它的使能端禁止或使能RCC電源的輸出。在典型RCC電路方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)電路自身的工作原理，在不影響其正常工作的前提下對(duì)其做了盡可能少的改動(dòng)，使之具有可靠的開關(guān)控制功能。通過(guò)對(duì)其關(guān)機(jī)性能的研究，提出了一個(gè)優(yōu)化其關(guān)機(jī)性能的解決方案，驗(yàn)證結(jié)果說(shuō)明電路經(jīng)優(yōu)化后，關(guān)機(jī)性能明顯改善。

RCC電源；自激式反激變換器；可開關(guān)控制；關(guān)機(jī)性能優(yōu)化

RCC電源屬于自激式反激電路[1]，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用在中小功率電源中，如手機(jī)充電器、筆記本適配器等[2]。關(guān)于RCC的電路原理與設(shè)計(jì)方面已非常成熟，但應(yīng)用在某些特定的場(chǎng)合，如宇航衛(wèi)星供配電系統(tǒng)中，RCC電源需要具備開關(guān)機(jī)控制功能，當(dāng)電源需要開通或關(guān)斷時(shí)，需從地面向衛(wèi)星發(fā)送開關(guān)機(jī)指令進(jìn)行控制[3-4]。對(duì)一般電源，開關(guān)機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)方法主要通過(guò)在輸入母線上串接繼電器或用MOSFET作開關(guān)管對(duì)電源的輸入端進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的控制。但對(duì)RCC電源來(lái)說(shuō)，根據(jù)其自身的工作特性，提出了另外一種設(shè)計(jì)方法，在典型的RCC電路基礎(chǔ)上做盡量少的改動(dòng)，以降低生產(chǎn)成本和電路復(fù)雜程度，使其具有良好的開關(guān)機(jī)控制功能。

圖1 可開關(guān)控制的RCC電路設(shè)計(jì)原理圖

1 電路的原理與設(shè)計(jì)

1.1 RCC開關(guān)控制電路的設(shè)計(jì)原理

可開關(guān)控制的RCC電路設(shè)計(jì)如圖1所示，其中虛線框內(nèi)的部分是典型的RCC電路[5]。

根據(jù)它的工作原理可知，開關(guān)三極管VQ1是RCC電路的關(guān)鍵器件，工作時(shí)它的飽和導(dǎo)通與截止關(guān)斷狀態(tài)的交替轉(zhuǎn)換使得電路能夠自激震蕩而產(chǎn)生輸出電壓。使VQ1導(dǎo)通的電流包括兩路：一路是啟動(dòng)電流 Ia， 它的流向是輸入+Vin→R1→VQ1→R2→GND1；另一路是正反饋電流Ib，它的流向是主變壓器 T1的 3-4繞組→R3→VQ1→R2→GND1。 要使RCC在加電工作條件下關(guān)機(jī)無(wú)輸出，只需讓VQ1保持在截止關(guān)斷態(tài)而不向飽和導(dǎo)通態(tài)過(guò)渡，即VQ1始終無(wú)電流通過(guò)；要使RCC從關(guān)機(jī)狀態(tài)重新開機(jī)輸出，只需讓VQ1飽和導(dǎo)通，電路重新進(jìn)入自激震蕩即可[6-7]。

設(shè)計(jì)方法是將一個(gè)二極管VD4的陽(yáng)極接在VQ1的基極上，VD4的陰極為禁止端INH，也即外部信號(hào)控制RCC電源開關(guān)機(jī)的接口。當(dāng)INH為接高電平時(shí)，由于正常工作時(shí)VQ1的基極最大電壓小于1V（已測(cè)試驗(yàn)證），VD4反向截止無(wú)電流通過(guò)，RCC電源有正常輸出；當(dāng)INH為低電平時(shí)，VD4正向?qū)ǎ瓉?lái)流過(guò)VQ1基極的電流Ia與Ib流過(guò)VD4，VQ1立即截止關(guān)斷，T1無(wú)勵(lì)磁電流，正反饋電流Ib也隨之消失，最終使RCC無(wú)輸出。VD4的作用就是使電流只能單向流出INH，若無(wú)VD4，當(dāng)INH端接入的控制信號(hào)為高電平時(shí)，將會(huì)使VQ1始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，T1初級(jí)繞組很快飽和，導(dǎo)致流過(guò)VQ1的集電極電流很大而燒毀VQ1。

1.2 電路的參數(shù)設(shè)計(jì)

1.2.1 變壓器設(shè)計(jì)

考慮到RCC電路在星用供電系統(tǒng)中通常是作為一種輔助電源[8-9]而設(shè)計(jì)的，所以要求輸出功率小，其負(fù)載功率一般小于0.5 W。星用100V母線供電要求輸入電壓Vin=80～120V，額載下工作頻率f=200kHz，占空比D=0.36，輸出電壓V0=12V，主變壓器磁芯采用Philips公司的P11-7-3F3。

根據(jù)公式（1）可算出初級(jí)繞組所需電感量LP：

式中，VQ1導(dǎo)通時(shí)間Ton=D/f=0.36/200×103=1.8 μs，輸入最小電壓Vin（min）=80V，RCC 效率 η=55％，輸出功率Po=0.5 W，經(jīng)計(jì)算得Lp=2.28mH；由于電感與繞組匝數(shù)的平方成正比[10-11]，因此可利用公式（2）計(jì)算變壓器初級(jí)繞組匝數(shù)Np：

式中，Alg為磁芯每1000匝的電感量，通常磁芯制造商都會(huì)給出[12-13]；經(jīng)計(jì)算得Np=60；根據(jù)公式（3）可計(jì)算次級(jí)繞組電感量Ls：

式中，Io=Po/（Uo+0.7）=0.04 A，經(jīng)計(jì)算得到次級(jí)電感量Ls=317 μH；根據(jù)公式（4）計(jì)算反饋繞組所需匝數(shù)Ns：

經(jīng)計(jì)算得Ns=22；根據(jù)公式（5）計(jì)算反饋繞組所需匝數(shù)Nb：

其中，UEB（max）為 VQ1 發(fā)射極與基極最大承受耐壓值為7.0V，UF為輸出整流管正向?qū)▔航禐?.7V，經(jīng)計(jì)算得Nb=12。

1.2.2 其他元器件的選取

考慮到RCC電路是典型的反激式變換器[14-15]，正常工作時(shí)其開關(guān)器件（即開關(guān)三極管VQ1）承受的電壓至少是輸入電壓的1.3倍（不考慮變壓器漏感尖峰），RCC輸入的最高電壓為120V，且星用二次電源需滿足降額因子為0.5的設(shè)計(jì)原則，所以圖1中開關(guān)三極管VQ1的最高耐壓至少要求2×1.3×120=312V，因此選用NPN型開關(guān)三極管2N3439，它的集電極-發(fā)射極最高耐壓Vceo為350V，滿足設(shè)計(jì)要求。RCC的穩(wěn)壓二極管VD1的穩(wěn)壓值決定了它的輸出電壓，故選用穩(wěn)壓值為13V的穩(wěn)壓二極管BZX55C13V（考慮滿載時(shí)輸出電壓略有下降）。輸出電流峰值約為平均電流的1.5倍，即1.5×0.04 A=0.06 A，輸出整流二極管VD3選用硅快恢復(fù)整流二極管2CZ2A，其最高正向電流為0.3 A，滿足降額設(shè)計(jì)要求。VD2實(shí)際工作反向耐壓最高為30V，VD4用以隔離外部的高電平信號(hào)且禁止時(shí)保證電流從INH端單向流出，故均采用快恢復(fù)二極管1N4148，其最高反向耐壓為 75V。R1=100kΩ，R2=47 Ω，R3=5.1kΩ，R4=10kΩ，C14=C26=0.1μF。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 波形與數(shù)據(jù)

按以上設(shè)計(jì)參數(shù)做出實(shí)驗(yàn)電路，并用示波器對(duì)電路的主要部分波形進(jìn)行測(cè)試，圖2與圖3分別為輸入電壓為100V、額定負(fù)載工作條件下，開關(guān)三極管VQ3的集電極波形與RCC輸出電壓波形，自激震蕩頻率為200 kHz，輸出電壓為11.85V，輸出紋波峰峰值為150 mV，輸出電壓基本穩(wěn)定；

為更全面地測(cè)試此電路的輸出特性，又在不同工況下進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從上述圖3、圖4及表1的數(shù)據(jù)可看出實(shí)際RCC電路測(cè)量波形和數(shù)據(jù)結(jié)果基本符合預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

圖2 開關(guān)三極管VQ3的集電極波形

圖3 RCC額載（100V輸入）時(shí)輸出電壓波形

表1 RCC在不同輸入電壓及負(fù)載條件下輸出測(cè)試結(jié)果

2.2 電路開關(guān)機(jī)性能的驗(yàn)證

通常星用二次電源開關(guān)機(jī)電路的控制方式是使用OC門實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而控制輸出電壓的通斷。為驗(yàn)證實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中此RCC電路的關(guān)機(jī)特性，將此RCC電路的禁止端INH接至OC門的輸出，當(dāng)控制OC門輸出低電平信號(hào)時(shí)，RCC電路應(yīng)無(wú)輸出電壓，驗(yàn)證電路原理框圖如圖4所示。

圖4中的OC門由2kΩ限流電阻、開關(guān)三極管2N3439、5kΩ上拉電阻及+5V供電組成，A點(diǎn)即為OC門的輸出。當(dāng)信號(hào)發(fā)生器無(wú)輸出時(shí)，2N3439處于截止?fàn)顟B(tài)，A點(diǎn)為+5V高電平，INH端為高電平，RCC正常輸出；當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸出高電平信號(hào)時(shí)，2N3439由截止變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，A點(diǎn)電壓為低電平，相應(yīng)INH端為低電平使RCC輸出關(guān)斷。

在星用電源的整星聯(lián)試過(guò)程中，由于控制指令線路過(guò)長(zhǎng)或在高溫環(huán)境（+70～+100℃）中，控制指令接口OC門的輸出端到電源的禁止端之間可能存在較大的電路線壓降，所以在圖4的驗(yàn)證電路中增加一個(gè)滑線變阻器r，用于模擬實(shí)際應(yīng)用中可能存在的線路電壓降。驗(yàn)證時(shí)先將r設(shè)為0 Ω，模擬理想狀態(tài)下的情況，再將r阻值逐漸增大，測(cè)試當(dāng)控制線路線壓降逐漸增大至最壞情況時(shí)時(shí)對(duì)RCC關(guān)機(jī)性能的影響。圖5是實(shí)際驗(yàn)證RCC電源關(guān)機(jī)性能的曲線圖，其中關(guān)機(jī)電壓是指在實(shí)際測(cè)試關(guān)機(jī)功能時(shí)，控制OC門輸出低電平后，禁止端INH對(duì)輸入地GND1的電壓VINH。

圖4 驗(yàn)證OC門控制RCC電路關(guān)機(jī)的原理圖

圖5 RCC關(guān)機(jī)性能曲線圖

由實(shí)際的測(cè)試過(guò)程及圖5可看出，隨滑線變阻器r取值增大，RCC關(guān)機(jī)電壓也從0.01V逐漸增大到0.65V，輸出電壓從0.1V增大到11.8V，這說(shuō)明原設(shè)計(jì)RCC電路隨關(guān)機(jī)電壓的增大，其關(guān)斷性能呈指數(shù)規(guī)律變差，以至不能保證輸出關(guān)斷。

根據(jù)圖1和圖4的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證原理，RCC關(guān)機(jī)的理想狀態(tài)是使圖1的VQ1始終無(wú)電流通過(guò)而處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)的電流流向應(yīng)為：輸入+Vin→R1→VD4→r→A→VQ2→GND1，但當(dāng)r取值逐漸增大時(shí)，原電流會(huì)分流一部分流向三極管VQ1的基極與R2，從而使VQ1由截止?fàn)顟B(tài)向?qū)顟B(tài)過(guò)渡，流過(guò)主變壓器T1初級(jí)繞組1-2的電流逐漸增大，使電路由關(guān)斷狀態(tài)變?yōu)樽约ふ鹗帬顟B(tài)，從而輸出電壓逐漸增大。經(jīng)過(guò)測(cè)試，RCC在正常工作時(shí)INH端的電壓為1.0V，此時(shí)相當(dāng)于r為無(wú)窮大。當(dāng)RCC關(guān)機(jī)，r的值從0 Ω增大到550 Ω，VINH的電壓從0.01V增大至0.65V，輸出電壓從0.1V增大至11.8V時(shí)，說(shuō)明電流已不再?gòu)腎NH端流出，VINH為0.65～1.0V時(shí)RCC關(guān)機(jī)狀態(tài)與正常工作時(shí)狀態(tài)趨同，流向?yàn)椋狠斎?Vin→R1→VQ1→R2→GND1，關(guān)機(jī)功能失效。

以上驗(yàn)證與分析的結(jié)果說(shuō)明原設(shè)計(jì)RCC允許關(guān)機(jī)電壓的大小決定了此電路關(guān)機(jī)性能的優(yōu)劣，且關(guān)機(jī)性能易受控制線路過(guò)長(zhǎng)、OC門三極管導(dǎo)通時(shí)集電極—發(fā)射極壓降Vce（即A點(diǎn)電壓）及溫度等因素的影響，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致不能正常關(guān)機(jī)。

3 關(guān)機(jī)性能的優(yōu)化

考慮到上述問(wèn)題，需減小關(guān)機(jī)電壓對(duì)電路關(guān)機(jī)性能的影響，使得RCC輸出電壓關(guān)斷至0V時(shí)，允許關(guān)機(jī)電壓VINH的值較大，也即當(dāng)控制電路存在較大線路壓降等不利因素時(shí)，不影響RCC正常關(guān)斷功能。

由圖2可知，RCC開關(guān)三極管VQ1的基極電位為：

其中，VVD4為VD4導(dǎo)通電壓，Vr為滑線變阻器r的壓降，Vce為VQ2導(dǎo)通時(shí)集電極—發(fā)射極壓降。

式（6）說(shuō)明要使RCC輸出關(guān)斷時(shí)的關(guān)機(jī)電壓VINH增大，關(guān)鍵在于不影響RCC正常工作的條件下，增大三極管VQ1的基極電位Vb，這樣就允許禁止端INH到電源輸入地GND1之間存在更大的電壓降，即VINH增大。不影響RCC正常工作的必要條件就是VQ1各管腳電位（除輸出端，因?yàn)檩敵龆伺c輸入端為磁隔離）與電路中其他元器件的相對(duì)電位保持不變。為此，優(yōu)化后電路的原理圖如圖6所示。

圖6是在原設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，對(duì)輸入地GND1串接一個(gè)二極管VD5，其他參數(shù)保持不變，此方案可將VQ1的基極電位提高一個(gè)二極管的管壓降，也即VD5的管壓降（約0.7V），同時(shí)保證其他元器件的對(duì)地電位均提高了0.7V，且不影響RCC電路的正常工作，這樣在RCC關(guān)斷時(shí)，就允許存在更大的關(guān)機(jī)電壓VINH。圖7是RCC電路優(yōu)化前后的關(guān)機(jī)特性測(cè)試曲線圖。

圖6 RCC開關(guān)機(jī)控制優(yōu)化電路

圖7 RCC電路優(yōu)化前后的關(guān)機(jī)特性對(duì)比圖

由圖7可知，電路優(yōu)化后VINH小于0.7V時(shí)，關(guān)機(jī)后輸出電壓均小于0.05V；VINH從0.7V增大至最大值1V的過(guò)程中，關(guān)機(jī)后輸出電壓從0.05V開始增大至3V，說(shuō)明優(yōu)化后的RCC電路比原狀態(tài)的關(guān)機(jī)電壓提高了0.7V。

4 結(jié)論

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，對(duì)輸入地GND1串接一個(gè)二極管使得電路的關(guān)機(jī)特性明顯改善，優(yōu)化措施有效，適用于線路壓降很大且需要遠(yuǎn)程控制開關(guān)機(jī)的場(chǎng)合。從優(yōu)化方案的結(jié)果來(lái)看，關(guān)機(jī)電壓的增大值取決于對(duì)輸入地串接的二極管的導(dǎo)通電壓降，所以要獲得更大的關(guān)機(jī)電壓，提高關(guān)機(jī)性能，需選用導(dǎo)通壓降較大的二極管或再增多串接二級(jí)管來(lái)解決，但串接的二極管越多，功耗也越大，導(dǎo)致效率變低，實(shí)際使用時(shí)要考慮實(shí)際所需的關(guān)機(jī)電壓大小來(lái)確定。另外，此優(yōu)化方案的關(guān)機(jī)電壓的提高并不是連續(xù)變化的，因?yàn)槎O管的導(dǎo)通壓降是一定的，設(shè)計(jì)時(shí)也考慮到用一個(gè)阻值連續(xù)變化的滑動(dòng)變阻器代替二極管VD5，但RCC電源在不同輸出負(fù)載情況下，輸入電流發(fā)生的變化導(dǎo)致流過(guò)電阻的電流也隨之變化，最后會(huì)導(dǎo)致關(guān)機(jī)電壓隨帶載的情況而變化，故棄用了滑動(dòng)變阻器的方案，所以如何使電路的關(guān)機(jī)電壓連續(xù)變化是以后需要繼續(xù)研究的課題。

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Design and optimization of an on-off controllable RCC power supply

WANG Xiao-wen，MA Wen-bo，RONG Yan，WU Rong
（Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

A RCC power supply which can be on-off controlled is developed.An external controlling signal can enable or disable the power supply via its enable port.According to the operating principle of RCC circuit，the least change is made on base of the typical circuit to let it have reliable on-off controllable function without any affection.A solution is put forward to optimize its power off performance by research.The result proves that the power off performance of the optimized circuit has been improved.

RCC power supply； self-oscillating flyback converter； on-off controllable； optimization of power off performance

TN712

：A

：1674－6236（2017）15-0148-05

2016-07-26稿件編號(hào)：201607182

汪曉文（1987—），男，湖北大冶人，碩士，工程師。研究方向：星用二次電源技術(shù)。