反激式恒流一次侧控制模式的研究

赵子龙，陈 弯，陈永真

（辽宁工业大学电子与信息工程学院，锦州121001）

引言

反激式变换器输出恒流特性在很多方面有着重要的应用，如恒压恒流充电器、LED恒流驱动器等［1-2］。为了实现反激式变换器恒流，需要对输出电流进行检测，采用二次侧电流反馈的方法会增加很多元器件，进而增加了电路的成本。怎样简化电路、减小体积、降低成本成为了当今电源的发展趋势。

本文采用一次侧检测方法来获得输出电流的信息，进而来调节和控制输出电流，达到输出恒流的目的，避免了二次侧电流检测的缺点。

1 反激式变换器能量传输

反激式变换器的基本工作原理是：当开关管导通期间，输入电能并不直接传输到输出端，而是先将电能量转换为磁储能存储在电感中。在反激式变换器电路拓扑中，变压器的激磁电感可以作为储能电感，开关管关断期间变压器将磁储能转化为电能向输出端释放［3］。因此，在反激式变换器中，变压器不仅是作为电气隔离的能量传输器件，而且也是能量转化、存储与释放的器件，需将输入的电能量转化为磁储能存储在变压器的激磁电感中，并重新将磁储能转化为电能向输出端释放。

反激式变换器传输的功率P可以表示为

式中：L为激磁电感；IPM为变压器一次侧峰值电流；fSW为开关频率。

输出恒流特性表现为：当负载变化时，输出电压变化，而输出电流保持不变。例如，当负载加重时，输出电压减小，输出电流不变，输出功率会随之减小［4］。从能量的角度来看，忽略损耗，输出功率等于输入功率，即

式中：Pin、Po分别为输入、 输出功率；Vo、Io分别为输出电压和输出电流。

由式 （2）可以得到使输出电流恒定的2种办法，一种是保持开关频率fSW不变，改变一次侧峰值电流IPM，因为一次侧峰值电流的平方与输出电压呈线性关系，故这种方法实现起来相对困难；另一种是保持一次侧峰值电流IPM不变，改变开关频率fSW，因开关频率与输出电压呈线性关系，故这种方法实现较为容易。

2 输出恒流控制策略

2.1 输出电流检测的一般方法

二次侧电流检测最容易实现的方法是利用晶体管的导通程度来检测输出电流的大小，具体电路如图1所示。

这种方法虽然易于实现，但是晶体管的基极和发射极之间的电压受温度（温度漂移）影响较大。另外，此电路需要加光电耦合器来实现信号的传输和隔离，增加了电路的成本和系统的复杂性。

图1 晶体管检测输出电流电路Fig.1 Output current detection circuit by transistor

二次侧电流检测是较为常用的一种方法，首先是输出电流经过采样电阻变成电压信号，然后与误差放大器基准电压比较，再经光电耦合器送至控制芯片［5］。但这种方法的问题是：低电压基准较少，一般采用较为便宜的 TL431， 基准电压 Vref＝2.5 V，需要增加前置放大级将采样电阻获得的电压放大至2.5 V。这样无疑增加电路的复杂性和成本，电路的可靠性会随之降低，而且使用采样电阻也会影响电路的效率。

要想省掉采样电阻、误差放大器和光电耦合器等元器件，就必须在一次侧进行电流检测，通过一次侧检测来间接反映输出电流，然后做出相应调节。

2.2 一次侧电流检测调节方法

采用一次侧电流检测调节的方法可以省去二次侧电流采样电路、TL431和光电耦合器等元器件，减小了电路板的面积，降低了电路的复杂性，可以达到更高的效率。

输出电流可以通过一次侧电流来表示。工作在断续状态下反激式变换器的变压器电流波形［6］如图2所示。

图2 一次侧与二次侧电流波形Fig.2 Primary side and secondary side current waveforms

由图2可得，输出电流Io可以表示为

式中：IPM为变压器一次侧峰值电流；NP为一次侧匝数；NS为二次侧匝数；tDM为二次侧输出整流器导通时间（去磁时间）；tSW为开关周期。

当一次侧峰值电流不变即开关导通时间恒定时，输出电流与去磁时间和开关频率的比值有关。通过检测去磁时间，相应地改变开关频率，使其比值保持不变，这样可以达到输出恒流的目的。

可以根据变压器辅助绕组上的电压波形来得到相应的去磁时间。辅助绕组的电压波形［7］如图3所示。

图3 辅助绕组电压波形Fig.3 Auxiliary winding voltage waveform

一次侧电流检测调节的具体检测方法是：检测VS电压突升（开关管关断）到振铃电压小于可以接受的某一值（如100 mV）所需要的时间，并通过这个时间相应改变开关频率，给出合适的占空比，以达到输出电流恒流的目的［8］。振铃电压的检测是由芯片内部功能实现的，具体芯片有UCC28720、UCC28740等。芯片的VS端有二次侧时序检测功能，然后根据检测的信息来调节电流，芯片内部原理框图如图4所示。

去磁时间与变压器二次侧电流有关，具体关系为

由式（4）可得：当 IPM固定时，检测出 Vo，也即相当于检测出tDM，这样就可以根据检测到的输出电压来调整开关管的开关频率，达到输出恒流的目的。

联立式（3）和式（4），可以得到

由式（5）可得，当输出恒流时，开关频率与输出电压成线性关系。

图4 芯片内部原理框图Fig.4 Functional block diagram of chip

3 实验波形及分析

采用一次侧调节的方式可以避免二次侧电流检测的复杂性，提高电路的稳定性。采用反激式一次侧恒流控制方式的原理如5所示。

实验参数设置为：输入电压为交流220 V，输出恒流值为3 A。变压器的一次侧匝数为64匝，二次侧匝数为4匝，辅助绕组的匝数为8匝，磁芯选用EER28L。骨架选择卧式骨架，材质相当于PC40。磁芯有效截面积0.81 cm2。磁感应强度选择为200 mT。

图5 一次侧恒流控制原理Fig.5 Schematic of primary content current control

从安全角度考虑，开关管选择为型号SPA06N80C3的Coolmos耐压为800 V，TO-220全塑封装（省去绝缘垫装配的麻烦），电流采样电阻选择为0.65 Ω/1W。箝位电路参数为：箝位电容器0.01 μF/630 V；箝位放电电阻 100 kΩ/1 W，2 只并联；二极管1.5 A/800 V超快速二极管。输出容器参数为：南通江海CD287型1 000 μF/16 V电解电容器和+330 μF/16 V聚合物电容器。不同输出电压和电流条件下具体实验测试波形如图6所示。

图6 不同输出电压和电流条件下的实验波形Fig.6 Experiment Waveform of Different Output Voltage and current

Vds表示的开关管漏极电压波形，Vs表示芯片的供电电压波形，Vdd表示辅助绕组经电阻分压后的电压波形，Vgs表示的是开关管栅极驱动电压波形。

由图6可以看出，随着负载的加重，输出整流器导通时间（去磁时间）也相应增加；开关管导通时间固定，大约为3.6 μs，这就意味着一次侧峰值电流固定。然而输出电压却一直在降低，由式（2）可以得到开关频率必然随之下降，这与图6中的开关频率下降相吻合，并且输出电压与开关频率近似呈线性关系。

具体实验数据如表1所示。

表1 开关频率、输出电压、输出电流与效率Tab.1 Switching frequency，output voltage,output current and efficiency

由表1可以得到：输出电流基本恒定在3 A左右，实现了输出恒流的目的。变换器的效率基本上在80%以上，最高可达到85.7%。随着输出电压的降低，开关频率也在降低。

采用一次侧调节的方法，输出电压与输出电流的关系曲线如图7所示。

图7 输出电压与输出电流的关系Fig.7 Relationship between output voltage and output current

由图7可以看出：在达到输出恒流值3 A之前，输出电压大约稳定在12 V，再加重负载就会进入恒流模式，输出电流值基本恒定在3 A左右，输出恒流值可以通过一次侧电流检测电阻来设定。另外，输出电流的精度可以通过表1中的数据得到，由于电流表精度限制以及人为读数的误差导致输出恒流值可能存在误差，但在可以接受的范围内。

4 结语

一次侧峰值电流固定时，在恒流输出特性下输出电压与开关频率近似呈线性关系，有利于一次侧调节。另外一次侧调节使输出电流在一定精度范围内，省去许多不必要的元器件，简化了电路，提高了电路的可靠性，相比二次侧电流检测的方法有巨大的优势。

［1］Wu X，Wang Z，Zhang J.Design considerations for dualoutput quasi-resonant flyback LED driver with currentsharing transformer.IEEE Transactions on Power Elec-tronics，2013，28（10）.

［2］李朗，杨岳毅，曾怡达.一种高效率次级谐振单级反激PFC 变换器［J］.电源学报，2015，13（1）：56-60.Li Yang，Yang Yueyi，Zeng Yida.A high efficiency flyack PFC converter with secondary side resonant circuit［J］.Journal of Power Supply，2015，13（1）：56-60（in Chinese）.

［3］陈永真，陈之勃.反激式开关电源设计、制作、调试［M］.北京：机械工业出版社，2014.

［4］Constant-voltage，Constant-Current Flyback Controller Using Opto-Coupler Feedback，UCC28740 Datasheet［S］.Texas Instruments，2014.

［5］徐德鸿，沈旭，杨成林，等.开关电源设计指南［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［6］Chung S K.Transient Characteristics of High-voltage Flyback Transformer Operating in Discontinuous Conduction Mode［C］.IEEE Proceedings on Electric Power Applications， 2004，151（5）：628-634.

［7］Lisa Dinwoodie.Exposing the inner behavior of a Quasi-Resonant flyback converter.Texas instrument power supply design seminar SEM2000，2013.

［8］Constant-Voltage， Constant-Current Controller with Primary-Side Regulation for Bipolar Power Devices UCC28720 Datasheet［S］.Texas Instruments，2014.