一種原邊反饋的反激轉(zhuǎn)換器設(shè)計

詹天文 張瑞偉 聶金銅 張穎超

摘 要：反激轉(zhuǎn)換器因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于隔離式小功率電源中。采用TL431（或穩(wěn)壓管）和光耦或增加變壓器繞組的反饋控制方式限制了反激轉(zhuǎn)換器體積的進一步減小。本文基于凌特公司（編者注：已被ADI收購）的LT8302設(shè)計了一個具有多模式控制、原邊反饋和同步整流的反激轉(zhuǎn)換器，輸入電壓范圍DC～18 ～ 32 V，輸出電壓DC50.1 V±，最大輸出電流2.5 A，外形尺寸（WL H××）為27 mm 27 mm 10 mm××。該轉(zhuǎn)換器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小和效率高的特點。

關(guān)鍵詞：反激轉(zhuǎn)換器；原邊反饋；LT8302；同步整流

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，開關(guān)電源因具有效率高、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備[1-3]。在各種開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)簡單、低成本的反激轉(zhuǎn)換器通常是隔離式小功率應(yīng)用場合的首選電路拓撲。傳統(tǒng)反激轉(zhuǎn)換器一般采用TL431（或穩(wěn)壓管）和隔離光耦配合，或增加一個變壓器繞組的次級反饋控制方式，具有穩(wěn)壓精度高的優(yōu)點[4-6]。但是，由于采用元件較多，這種反饋方式限制了傳統(tǒng)反激轉(zhuǎn)換器在對體積和成本有嚴格要求場合的應(yīng)用。因此，為了進一步減小體積，降低成本，利用原邊反饋的反激變壓器受到了廣泛關(guān)注[7-9]。本文基于凌特公司的LT8302設(shè)計了一個多模式控制、原邊反饋和同步整流的反激轉(zhuǎn)換器，其輸入電壓范圍DC 18 ～ 32 V（），輸出電壓DC 50.1 V（）±，最大輸出電流2.5 A。該轉(zhuǎn)換器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小和效率高的特點。

1 反激轉(zhuǎn)換器的反饋控制原理

反激轉(zhuǎn)換器拓撲的基本原理為：在開關(guān)導(dǎo)通時，輸入電能量轉(zhuǎn)換為磁能量經(jīng)變壓器初級電感儲存在磁芯中，在開關(guān)關(guān)斷時，變壓器次級電感將儲存的磁能量轉(zhuǎn)換為電能量傳遞到輸出端。根據(jù)開關(guān)過程中變壓器所存儲的磁能量是否完全傳遞到輸出端，反激轉(zhuǎn)換器拓撲的工作模式可以分為電流斷續(xù)模式（DCM）和電流連續(xù)模式（CCM）[10-11]。控制電路通過檢測輸出狀態(tài)，調(diào)整開關(guān)導(dǎo)通與關(guān)斷時間，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的輸出。隔離反激轉(zhuǎn)換器的反饋控制技術(shù)可以分為原邊反饋和副邊反饋兩種方式。

1.1 副邊反饋技術(shù)

副邊反饋技術(shù)原理如圖1所示，通常采用光電耦合器和三端穩(wěn)壓器TL431（或穩(wěn)壓管）組合，將檢測到的輸出電壓反饋到原邊控制電路，進而控制原邊功率管的開關(guān)動作，實現(xiàn)輸出穩(wěn)定的電壓。常用的UC384X和TOPSWITCH系列芯片均采用這種反饋控制方式，通過將取樣電壓轉(zhuǎn)換為光耦二極管側(cè)的電流，進而控制光耦三極管的導(dǎo)通程度，將輸出電壓反饋回控制芯片，控制開關(guān)管的開通與關(guān)斷。在這種控制方式中，光耦的響應(yīng)時間和線性度直接影響到輸出電壓的穩(wěn)壓精度。

1.2 原邊反饋技術(shù)

與副邊反饋技術(shù)直接取樣輸出電壓不同，原邊反饋反激轉(zhuǎn)換器直接通過變壓器的初級電感獲取輸出電壓。基本原理是在開關(guān)管關(guān)斷時檢測開關(guān)管漏極電壓，從而取樣到輸出電壓。由于開關(guān)管關(guān)斷時的漏極電壓是由輸入電壓、輸出反激電壓和漏感尖峰電壓組成，直接處理有一定難度，常通過引入輔助繞組，檢測輔助繞組的電壓來取樣輸出電壓。其工作原理如圖2所示。

根據(jù)負載狀態(tài)的不同，LT8302可以控制反激轉(zhuǎn)換器在打嗝模式、斷續(xù)模式和準諧振邊界模式工作，以提高能量轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)負載電流大時，反激轉(zhuǎn)換器在準諧振邊界模式工作，芯片的邊界檢測器檢測到次級電流為0，且電壓諧振到谷值時導(dǎo)通內(nèi)部開關(guān)M1。在這種模式下，開關(guān)頻率將隨著負載電流的增加而減小。隨著負載電流的減小，開關(guān)頻率將不斷增加，為了防止因開關(guān)頻率過高而引起的開關(guān)和驅(qū)動損耗增加，芯片將限制開關(guān)頻率最大為380 kHz，從而控制轉(zhuǎn)換器在斷續(xù)模式工作。當(dāng)負載電流進一步減小，芯片將控制開關(guān)頻率進一步減小，最低可到12 kHz，從而控制轉(zhuǎn)換器在打嗝模式工作。

2 電路設(shè)計

基于LT8302的反激轉(zhuǎn)換器設(shè)計指標如表1所示。

在輸入電壓為額定24 V時，反激轉(zhuǎn)換器輸出波形如圖6所示，圖中（a）、（b）、（c）波形1分別為負載電流為0、1.5 A、2.5 A時開關(guān)管M1的DS電壓波形；波形2為對應(yīng)負載電流下的輸出電壓紋波。從圖中可以看出，在對應(yīng)負載電流下，反激轉(zhuǎn)換器分別在打嗝模式、斷續(xù)模式和準諧振邊界模式下工作，輸出電壓紋波峰-峰值最大為40 mV。圖6（d）為負載電流為2.5 A時，同步整流MOSFET的GS（波形1）和DS（波形2）波形。

分別測試了該轉(zhuǎn)換器在輸入電壓為18 V、24 V和32 V，負載電流分別在0.5 A、1 A、1.5 A、2 A、2.5 A時的能量轉(zhuǎn)換效率，然后擬合曲線，結(jié)果如圖7所示。在通常情況下，該轉(zhuǎn)換器的能量效率能夠達到80%以上。

4 結(jié)束語

本文基于LT8302設(shè)計了一個具有多模式控制、原邊反饋和同步整流的反激轉(zhuǎn)換器，其輸入電壓范圍DC 18 ～ 32 V（），輸出電壓DC 50.1 V（）±，最大輸出電流2.5 A。該轉(zhuǎn)換器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高的特點。

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