双开关正激转换器及其应用设计

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1、双开关正激转换器及其应用设计双开关正激转换器及其应用设计　单开关(或称单晶体管)正激转换器是一种最基本类型的基于变压器的隔离降压转换器，广泛用于需要大降压比的应用。这种转换器的优点包括只需单颗接地参考晶体管，及非脉冲输出电流减小输出电容的均方根纹波电流含量等。但这种转换器的功率能力小于半桥或全桥拓扑结构，且变压器需要磁芯复位，使这种转换器的最大占空比限制在约50%。此外，金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)开关的漏电压变化达输入电压的两倍或更多，使这种拓扑结构较难于用在较高输入电压的应用。　　正激转换器中，变压器的磁芯单方向磁化，在每个开关周期都需要采用相应的

2、措施来使磁芯复位到初始值，否则励磁电流会在每个开关周期增大，经历几个周期后会使磁芯饱和，损坏开关器件。相对而言，如果有磁芯复位，电流就不会在每个开关周期增大，电压会基于励磁电感(Lmag)反相并使磁芯复位。图1以单开关正激转换器为例，简要对比了无磁芯复位与有磁芯复位的电路图及励磁电感电流波形。　　有3种常见的标准磁芯复位技术，分别是三次绕组，电阻、电容、二极管(RCD)钳位和双开关正激。三次绕组磁芯复位技术的电路示意图参见图1b)，这种技术能够提供大于50%的占空比，但开关Q1的峰值电压可能大于输入电压的2倍，而且变压器有三次绕组，使变压器结构更复杂。RCD钳位磁

3、芯复位技术也能使占空比大于50%，但需要写等式和仿真，以检验复位的正确性，让设计过程更复杂。RCD钳位技术的成本比三次绕组技术低，但由于复位电路中的钳位电阻消耗能量，影响了电源转换效率。图1：正激转换器不带磁芯复位与带磁芯复位之对比。　　与前两种磁芯复位技术相比，双开关正激更易于实现，而且开关Q1上的峰值电压等于输入电压，降低了开关所承受的电压应力。这种技术需要额外的MOSFET(Q2)和高端驱动器，且需要2个高压低功率二极管(D3和D4)，参见图2。双开关正激技术的每个开关周期包含3步：第1步，开关Q1、Q2及二极管D1导通，二极管D2、D3及D4关闭；第2步，

4、开关Q1、Q2及二极管D1关闭，而二极管D2、D3及D4导通；第3步，开关Q1、Q2及二极管D1仍然关闭，二极管D2仍然导通，而二极管D3及D4则关闭。图2：双开关正激转换器电路原理图。　　当然，采用这种技术后，转换器就成了双开关正激转换器，它不同于单开关正激转换器，不需要特殊的复位电路就可以保证可靠的变压器磁芯复位，可靠性高，适合更高功率等级。　　NCP1252双开关正激转换器演示板规格概览　　NCP1252是安森美半导体新推出的一款改进型双开关正激转换器，适合于计算机ATX电源、交流适配器、UC38XX替代及其它任何要求低待机能耗的应用，相关能效测试结果将在后

5、文提及。这器件也是一种固定频率控制器，带跳周期模式，能够提供真正的空载工作。此外，NCP1252具有可调节开关频率，增强设计灵活性；还带有闩锁过流保护功能，能够承受暂时的过载。其它特性还包括可调节软启动时长、内部斜坡补偿、自恢复输入欠压检测等。　　NCP1252与市场上不含输入欠压检测、软启动及过载检测的UC384x系列器件相比，提供这系列器件所不包含的这些功能(额外实现成本为0.07美元)，降低成本并提升可靠性。　　安森美半导体基于NCP1252构建的演示板规格包括：·　　输入电压范围：350至410Vdc；·　　输出电压：12Vdc，精度±5%；·　　额定输出

6、功率：96W(8A)；·　　最大输出功率：120W(每分钟持续5秒)；·　　最小输出功率：真正空载(无假负载)；·　　输出纹波：50mV峰值至峰值；·　　最大瞬态负载阶跃：最大负载的50%；·　　最大输出压降：250mV(5µs内从输出电流=50%到满载(5A到10A))。　　NCP1252应用设计：功率元件计算　　1)变压器匝数比、占空比及励磁电感　　首先计算变压器在连续导电模式(CCM)下的匝数比N。　　根据等式(1)可以推导出等式(2)：　　(1)　　(2)　　其中，Vout是输出电压，η是目标能效，Vbulkmin是最小输入电压(即350Vdc)，DCma

7、x是NCP1252的最大占空比，N是变压器匝数比。　　相应我们也可以验证出高输入线路电压(410Vdc)时最小占空比，见等式(3)：　　(3)　　为了恰当地磁芯复位，需要极小的励磁电流来对绕组电压反相。根据经验法则，励磁电流为初次峰值电流(Ip_pk)的10%。其中，Ip_pk取值0.94，这数值的计算过程参见后文。变压器励磁电感的计算见等式(4)：　　(4)　　2)LC输出滤波器　　首先选择交越频率(fC)。因开关噪声缘故，fC大于10kHz时要求无噪声布线，难于设计。故不推荐在较高的频率交越，直接选定fC为10kHz。　　如果我们假定由fC、输出电容(Cout

8、)及最大阶