RCC电路在星用开关电源中的应用

王卫国,张 乾

(兰州物理研究所,甘肃 兰州730000)

0 引 言

反激式自激变换器就是我们通常所指的RCC(Ringing Choke Converter)电路,变压器(储能电感)的工作模式处于临界连续状态,可以方便地实现电流型控制,在结构上是单极点系统,容易得到快速稳定的响应,广泛应用于50 W以下的开关电源中。由于要维持临界连续模式,并且变压器原边电流上升受输入电压影响,因此开关工作频率受输入电压和输出电流的影响,占空比也受输入电压的影响。在输入电压最高和空载时,工作频率最高。也正是因为工作频率波动较大,滤波电路的设计也相应较难。

相对于它的缺点,RCC电路的优势也比较突出。首先是电路结构简单,只需要少数分离原件就可以得到需专用芯片才能实现的电压输出性能,通过良好的设计可以获得高效和可靠的工作。其次,许多与驱动有关的困难(驱动波形、变压器饱和等)在自激变换器中得到很好的解决。而且,由于总是工作于完全能量传递模式,副边整流二极管正向导通电流到零,反向恢复电流和损耗很小,产生的振铃相对于不完全能量传递模式要小很多,因此输出的高频杂音也要小很多。另外,原边主管开通始终是零电流,因此效率较高。

早期的RCC变换器只适用于小功率100 W以下的开关电源。近年来,随着研究的深入,改进后的RCC电路解决了交叉导通和变压器饱和等许多棘手问题,其廉价、高效、可靠的性能备受人们青睐。它的工作形式是完全能量传递型,用电流容易实现。在结构上是单极点系统,容易得到快速稳定的响应。为了减少传统RCC变换器存在的开关损耗,提高效率,增大其输入电压的适应范围,改进型RCC电路加入了恒流激励以及延迟导通电路。由于增加了恒流激励以及延迟导通电路,其振荡分析与传统的RCC变换器有些不同,虽然其电路比较复杂,但性能大有改善,能在DC127 V～DC396 V范围内正常工作,可提供250 W以上功率,其性价比大有提高。

本文介绍的单管RCC电路根据其在小负载下自身功耗小,对输入电压的变化适应能力强的特点,可作为星用开关电源的隔离启动电路。从而简化电路结构,提高电源的可靠性。

1 星用开关电源启动和自持供电电路

启动与自持供电电路是为开关电源稳压控制电路和功率变换驱动电路提供辅助电源而设置的。以保证开关电源在输入电压宽范围变化时,稳压控制电路的供电电压基本稳定,同时对于小功率电源而言,有利于降低二次电源自身功耗。启动和自持供电电路的负载功率一般小于0.5 W,其电路设计力求简单可靠和功耗小。常用启动与自持电路拓扑有以下几种:

1.1 隔离启动和主变压器附加绕组自持供电线路

由图1可见,脉宽调制器与一次母线电源直流电位完全隔离。这样就可以将脉宽调制器接在开关电源的输出电路中,进行负载端直接取样的稳压控制技术方案,实践表明:这种稳压方式十分有利于实现电源的高稳定和瞬态响应能力。这种拓扑的缺点是,由于隔离启动电路不适应宽输入电压,当要求开关电源输入电压变化范围很宽时,这种拓扑不适用。同时隔离启动电路的功耗比较大,对于母线电压比较高的场合,将大大降低电源的效率。

图1 隔离启动和主变压器附加绕组自持供电线路拓扑

1.2 输入电压降压稳压启动电路拓扑

由图2可见,这种电路由于负载功率小于0.4 W,采用三极管三端稳压电路,可允许输入电压在很宽的范围内变化。这种稳压启动电路在低输入电压下可考虑不需要自持供电。该电路的不足之处是输入电压较高时,电路的功耗较大,影响了电源的效率。

图2 输入电压降压稳压启动电路拓扑

1.3 单管RCC电路拓扑

这种电路拓扑一般称之为“带扼流圈的激振变换器”,是输出容量低于50 W的电源经常采用的方式。因为它属于自激式,故不要振荡电路,结构简单。其振荡频率因输入电压和输出电流的不同而有变化。基本电路如图3所示。

图3 单管RCC电路

试验结果表明,RCC电路在很小负载功率下,自身功耗较小,尤其是在空载情况下自身功耗不高于0.5 W。同时适应输入电压宽范围变化。以上两个优势,决定了其可以应用在开关电源的启动电路中,用它做启动电路可以省去自持供电电路。

2 星用开关电源稳压反馈控制电路拓扑

星用开关电源输入、输出必须采用磁隔离技术,因此,针对不同的启动电路,其稳压反馈控制电路拓扑是不同的。适用于星用开关电源的稳压反馈控制电路拓扑有以下几种:

2.1 负载端直接采样反馈稳压控制电路拓扑

图4所示为隔离式电压型PWM控制电路。从图中可以看出,脉宽调制器(PWM)通过隔离启动变压器、自持供电变压器、功率驱动变压器、输出变压器,与+28 V输入电源完全隔离。PWM直接与电源的输出采样电路连接。这种拓扑的优点是:稳压控制反馈电路没有电抗元件,控制环路稳定性好,瞬态响应好,电路结构简单。不足之处是启动功耗大,不适应输入电压宽范围变化等。该拓扑中启动电路采用单管RCC电路可以有效地解决这些问题,同时还可以省去自持供电电路。因此,图4所示的拓扑结构是目前比较理想的拓扑结构。

图4 隔离启动与隔离驱动兼负载端直接采样反馈稳压控制电路拓扑

2.2 负载端直接采样隔离反馈稳压控制电路拓扑

图5 稳压启动与直接驱动兼负载端直接采样隔离反馈稳压控制电路拓扑

图5所示拓扑启动电路为降压稳压,直接启动电路。稳压控制方案采用负载端直接采样磁隔离反馈的技术,如图5所示,UC1901是稳压控制磁隔离反馈的专用集成电路,有高可靠质量等级的产品。该拓扑结构的缺点就是稳压启动电路功耗比较大,对于母线输入电压比较高的场合,自持电路不可省去;同时高质量等级的UC1901价格比较昂贵,增加了电源的成本。

2.3 其它隔离反馈稳压控制电路拓扑

和降压稳压、直接启动电路相适应的隔离反馈稳压电路还有很多种,图6是其中的一种,但相对于图4、图5所示的拓扑而言,这些拓扑在电路结构上比较复杂,较少采用。

图6 其它隔离反馈稳压控制电路拓扑

3 单管RCC电路的工作原理和变压器设计实例

从前面的分析中可以看出采用单管RCC电路作为隔离启动电路,不仅可以省去自持供电电路,而且简化了稳压反馈控制电路,明显提高了小功率电源的效率,是目前比较理想的启动电路。本文以下部分将进一步分析单管RCC电路的工作原理以及变压器的设计。

3.1 RCC电路工作原理

下面说明实际应用中RCC电路的工作过程。图7给出实际应用最多的RCC方式的基本电路图。为简化稳态分析,可做如下近似:

图7 单管RCC电路

(1)忽略变压器漏感对主管Tr1的集射极电压UCE的影响,实际使用时需要RCD箝位;

(2)主电路输出电容足够大,输出绕组电压箝位于输出电压Uo;

(3)稳态时电容C2上的电压保持不变;

(4)稳态时电阻Rg的作用可以忽略。

3.1.1 电路的起动

接通输入电源Uin后,电流 ig通过电阻 Rg流向开关晶体管Tr1的基极,Tr1导通,ig称为起动电流。在RCC方式中,晶体管Tr1的集电极Ic必然由零开始逐渐增加,如图8所示。因此ig应尽量小一点。

图8 晶体管的电流波形

此时变压器的次级绕组Ns处于短路状态,从输入一侧看来,电流全部流进Np线圈,电阻Rg称为起动电阻。

3.1.2 开关晶体管处于ON状态时

一旦Tr1进入ON状态,输入电压Uin将加在变压器的初级绕组Np上。由匝数比可知,基极线圈NB上产生的电压UB为:

该电压与Tr1导通极性相同,因此UB将维持Tr1的导通状态,此时基极电流IB是连续的稳定电流。设晶体管Tr1的基极—发射极间的电压UBEI,二极管D2的正向电压为UF2,则IB可表示为:

但是,从图8可知,Tr1的集电极电流IC为一次单调增函数,经过某一段时间ton后达到IC,集电极电流与直流电流放大倍数hFE之间将呈现如下关系:

即在上述公式成立的条件下Tr1才能维持ON状态。在基极电流不足的区域,集电极电压由饱和区域向不饱和区域转移。于是,NP线圈的电压下降,导致NB线圈的感应电压也随之降低,基极电流IB进一步减小。

图9 RCC方式的开关动作

因此Tr1的基极电流不足状态不断加深,Tr1迅速转至关断状态。

3.1.3 晶体管处于关断状态时

如果晶体管处于关断状态,变压器各个绕组将产生反向电动势,次级绕组使D4导通,电流i2流过负载,经过某一时间toff后,变压器能量释放完毕,电流i2变为0。但是,此时 Ns绕组上还有极少量残留的能量,这部分能量再一次返回,使基极绕组NB产生电压,Tr1再次开通,晶体管继续重复前面的开关动作。

图10给出各个部分的动作波形。

图10 RCC方式的动作波形

3.2 变压器设计实例

本例中RCC启动电路输入电压Uin=38 V～46 V,额载下工作频率 f=100 kHz,启动变压器磁芯采用美国MAGNETICS公司的MPP55045A2。

根据公式(4)计算初级绕组所需的电感量Lp:

经过计算得:LP=2.865 mH。

式中,UIN(min)为输入最小电压(V);η为预计功率转换效率;D为输入最小电压时的占空比;Po为输出功率(W);t0为导通时间(s)。

根据公式(5)计算原边绕组的匝数Np:

式中,LP为原边绕组电感量(mH);Alg为磁环每1 000匝电感量(/mH)。

经过计算得:NP=92.17匝,取93匝。

根据公式(6)计算次级绕组所需的电感量LS为:

经过计算得:LS=0.756 mH。

式中,US为次级电压(V);U0为输出电压(V);UF为整流二极管管压降(V);I0为负载电流(A);toff为关断时间(s);LS为次级绕组电感量(mH)。

根据公式(7)计算次级绕组所需的电感量NS为:

经过计算得:NS=48匝。

根据公式(8)计算反馈绕组所需的匝数NB为:

经过计算得:NB≤22.6。取:22匝。

3.3 实验结果

实验结果见表1与表2。

表1 额定负载(30 mA)下输出电压随输入电压变化

表2 42 V下空载和额载下输出电压

4 结 论

从前面的实验结果中可以看出,单管RCC电路无论是电压稳定度还是负载稳定度都能满足星用开关电源中作为隔离启动电路的要求,同时可以省去自持供电电路。用它作为启动电路简化了稳压反馈控制电路,降低了电源成本。

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