RCC電路在星用開關電源中的應用

王衛國,張 乾

(蘭州物理研究所,甘肅 蘭州730000)

0 引 言

反激式自激變換器就是我們通常所指的RCC(Ringing Choke Converter)電路,變壓器(儲能電感)的工作模式處于臨界連續狀態,可以方便地實現電流型控制,在結構上是單極點系統,容易得到快速穩定的響應,廣泛應用于50 W以下的開關電源中。由于要維持臨界連續模式,并且變壓器原邊電流上升受輸入電壓影響,因此開關工作頻率受輸入電壓和輸出電流的影響,占空比也受輸入電壓的影響。在輸入電壓最高和空載時,工作頻率最高。也正是因為工作頻率波動較大,濾波電路的設計也相應較難。

相對于它的缺點,RCC電路的優勢也比較突出。首先是電路結構簡單,只需要少數分離原件就可以得到需專用芯片才能實現的電壓輸出性能,通過良好的設計可以獲得高效和可靠的工作。其次,許多與驅動有關的困難(驅動波形、變壓器飽和等)在自激變換器中得到很好的解決。而且,由于總是工作于完全能量傳遞模式,副邊整流二極管正向導通電流到零,反向恢復電流和損耗很小,產生的振鈴相對于不完全能量傳遞模式要小很多,因此輸出的高頻雜音也要小很多。另外,原邊主管開通始終是零電流,因此效率較高。

早期的RCC變換器只適用于小功率100 W以下的開關電源。近年來,隨著研究的深入,改進后的RCC電路解決了交叉導通和變壓器飽和等許多棘手問題,其廉價、高效、可靠的性能備受人們青睞。它的工作形式是完全能量傳遞型,用電流容易實現。在結構上是單極點系統,容易得到快速穩定的響應。為了減少傳統RCC變換器存在的開關損耗,提高效率,增大其輸入電壓的適應范圍,改進型RCC電路加入了恒流激勵以及延遲導通電路。由于增加了恒流激勵以及延遲導通電路,其振蕩分析與傳統的RCC變換器有些不同,雖然其電路比較復雜,但性能大有改善,能在DC127 V～DC396 V范圍內正常工作,可提供250 W以上功率,其性價比大有提高。

本文介紹的單管RCC電路根據其在小負載下自身功耗小,對輸入電壓的變化適應能力強的特點,可作為星用開關電源的隔離啟動電路。從而簡化電路結構,提高電源的可靠性。

1 星用開關電源啟動和自持供電電路

啟動與自持供電電路是為開關電源穩壓控制電路和功率變換驅動電路提供輔助電源而設置的。以保證開關電源在輸入電壓寬范圍變化時,穩壓控制電路的供電電壓基本穩定,同時對于小功率電源而言,有利于降低二次電源自身功耗。啟動和自持供電電路的負載功率一般小于0.5 W,其電路設計力求簡單可靠和功耗小。常用啟動與自持電路拓撲有以下幾種:

1.1 隔離啟動和主變壓器附加繞組自持供電線路

由圖1可見,脈寬調制器與一次母線電源直流電位完全隔離。這樣就可以將脈寬調制器接在開關電源的輸出電路中,進行負載端直接取樣的穩壓控制技術方案,實踐表明:這種穩壓方式十分有利于實現電源的高穩定和瞬態響應能力。這種拓撲的缺點是,由于隔離啟動電路不適應寬輸入電壓,當要求開關電源輸入電壓變化范圍很寬時,這種拓撲不適用。同時隔離啟動電路的功耗比較大,對于母線電壓比較高的場合,將大大降低電源的效率。

圖1 隔離啟動和主變壓器附加繞組自持供電線路拓撲

1.2 輸入電壓降壓穩壓啟動電路拓撲

由圖2可見,這種電路由于負載功率小于0.4 W,采用三極管三端穩壓電路,可允許輸入電壓在很寬的范圍內變化。這種穩壓啟動電路在低輸入電壓下可考慮不需要自持供電。該電路的不足之處是輸入電壓較高時,電路的功耗較大,影響了電源的效率。

圖2 輸入電壓降壓穩壓啟動電路拓撲

1.3 單管RCC電路拓撲

這種電路拓撲一般稱之為“帶扼流圈的激振變換器”,是輸出容量低于50 W的電源經常采用的方式。因為它屬于自激式,故不要振蕩電路,結構簡單。其振蕩頻率因輸入電壓和輸出電流的不同而有變化。基本電路如圖3所示。

圖3 單管RCC電路

試驗結果表明,RCC電路在很小負載功率下,自身功耗較小,尤其是在空載情況下自身功耗不高于0.5 W。同時適應輸入電壓寬范圍變化。以上兩個優勢,決定了其可以應用在開關電源的啟動電路中,用它做啟動電路可以省去自持供電電路。

2 星用開關電源穩壓反饋控制電路拓撲

星用開關電源輸入、輸出必須采用磁隔離技術,因此,針對不同的啟動電路,其穩壓反饋控制電路拓撲是不同的。適用于星用開關電源的穩壓反饋控制電路拓撲有以下幾種:

2.1 負載端直接采樣反饋穩壓控制電路拓撲

圖4所示為隔離式電壓型PWM控制電路。從圖中可以看出,脈寬調制器(PWM)通過隔離啟動變壓器、自持供電變壓器、功率驅動變壓器、輸出變壓器,與+28 V輸入電源完全隔離。PWM直接與電源的輸出采樣電路連接。這種拓撲的優點是:穩壓控制反饋電路沒有電抗元件,控制環路穩定性好,瞬態響應好,電路結構簡單。不足之處是啟動功耗大,不適應輸入電壓寬范圍變化等。該拓撲中啟動電路采用單管RCC電路可以有效地解決這些問題,同時還可以省去自持供電電路。因此,圖4所示的拓撲結構是目前比較理想的拓撲結構。

圖4 隔離啟動與隔離驅動兼負載端直接采樣反饋穩壓控制電路拓撲

2.2 負載端直接采樣隔離反饋穩壓控制電路拓撲

圖5 穩壓啟動與直接驅動兼負載端直接采樣隔離反饋穩壓控制電路拓撲

圖5所示拓撲啟動電路為降壓穩壓,直接啟動電路。穩壓控制方案采用負載端直接采樣磁隔離反饋的技術,如圖5所示,UC1901是穩壓控制磁隔離反饋的專用集成電路,有高可靠質量等級的產品。該拓撲結構的缺點就是穩壓啟動電路功耗比較大,對于母線輸入電壓比較高的場合,自持電路不可省去;同時高質量等級的UC1901價格比較昂貴,增加了電源的成本。

2.3 其它隔離反饋穩壓控制電路拓撲

和降壓穩壓、直接啟動電路相適應的隔離反饋穩壓電路還有很多種,圖6是其中的一種,但相對于圖4、圖5所示的拓撲而言,這些拓撲在電路結構上比較復雜,較少采用。

圖6 其它隔離反饋穩壓控制電路拓撲

3 單管RCC電路的工作原理和變壓器設計實例

從前面的分析中可以看出采用單管RCC電路作為隔離啟動電路,不僅可以省去自持供電電路,而且簡化了穩壓反饋控制電路,明顯提高了小功率電源的效率,是目前比較理想的啟動電路。本文以下部分將進一步分析單管RCC電路的工作原理以及變壓器的設計。

3.1 RCC電路工作原理

下面說明實際應用中RCC電路的工作過程。圖7給出實際應用最多的RCC方式的基本電路圖。為簡化穩態分析,可做如下近似:

圖7 單管RCC電路

(1)忽略變壓器漏感對主管Tr1的集射極電壓UCE的影響,實際使用時需要RCD箝位;

(2)主電路輸出電容足夠大,輸出繞組電壓箝位于輸出電壓Uo;

(3)穩態時電容C2上的電壓保持不變;

(4)穩態時電阻Rg的作用可以忽略。

3.1.1 電路的起動

接通輸入電源Uin后,電流 ig通過電阻 Rg流向開關晶體管Tr1的基極,Tr1導通,ig稱為起動電流。在RCC方式中,晶體管Tr1的集電極Ic必然由零開始逐漸增加,如圖8所示。因此ig應盡量小一點。

圖8 晶體管的電流波形

此時變壓器的次級繞組Ns處于短路狀態,從輸入一側看來,電流全部流進Np線圈,電阻Rg稱為起動電阻。

3.1.2 開關晶體管處于ON狀態時

一旦Tr1進入ON狀態,輸入電壓Uin將加在變壓器的初級繞組Np上。由匝數比可知,基極線圈NB上產生的電壓UB為:

該電壓與Tr1導通極性相同,因此UB將維持Tr1的導通狀態,此時基極電流IB是連續的穩定電流。設晶體管Tr1的基極—發射極間的電壓UBEI,二極管D2的正向電壓為UF2,則IB可表示為:

但是,從圖8可知,Tr1的集電極電流IC為一次單調增函數,經過某一段時間ton后達到IC,集電極電流與直流電流放大倍數hFE之間將呈現如下關系:

即在上述公式成立的條件下Tr1才能維持ON狀態。在基極電流不足的區域,集電極電壓由飽和區域向不飽和區域轉移。于是,NP線圈的電壓下降,導致NB線圈的感應電壓也隨之降低,基極電流IB進一步減小。

圖9 RCC方式的開關動作

因此Tr1的基極電流不足狀態不斷加深,Tr1迅速轉至關斷狀態。

3.1.3 晶體管處于關斷狀態時

如果晶體管處于關斷狀態,變壓器各個繞組將產生反向電動勢,次級繞組使D4導通,電流i2流過負載,經過某一時間toff后,變壓器能量釋放完畢,電流i2變為0。但是,此時 Ns繞組上還有極少量殘留的能量,這部分能量再一次返回,使基極繞組NB產生電壓,Tr1再次開通,晶體管繼續重復前面的開關動作。

圖10給出各個部分的動作波形。

圖10 RCC方式的動作波形

3.2 變壓器設計實例

本例中RCC啟動電路輸入電壓Uin=38 V～46 V,額載下工作頻率 f=100 kHz,啟動變壓器磁芯采用美國MAGNETICS公司的MPP55045A2。

根據公式(4)計算初級繞組所需的電感量Lp:

經過計算得:LP=2.865 mH。

式中,UIN(min)為輸入最小電壓(V);η為預計功率轉換效率;D為輸入最小電壓時的占空比;Po為輸出功率(W);t0為導通時間(s)。

根據公式(5)計算原邊繞組的匝數Np:

式中,LP為原邊繞組電感量(mH);Alg為磁環每1 000匝電感量(/mH)。

經過計算得:NP=92.17匝,取93匝。

根據公式(6)計算次級繞組所需的電感量LS為:

經過計算得:LS=0.756 mH。

式中,US為次級電壓(V);U0為輸出電壓(V);UF為整流二極管管壓降(V);I0為負載電流(A);toff為關斷時間(s);LS為次級繞組電感量(mH)。

根據公式(7)計算次級繞組所需的電感量NS為:

經過計算得:NS=48匝。

根據公式(8)計算反饋繞組所需的匝數NB為:

經過計算得:NB≤22.6。取:22匝。

3.3 實驗結果

實驗結果見表1與表2。

表1 額定負載(30 mA)下輸出電壓隨輸入電壓變化

表2 42 V下空載和額載下輸出電壓

4 結 論

從前面的實驗結果中可以看出,單管RCC電路無論是電壓穩定度還是負載穩定度都能滿足星用開關電源中作為隔離啟動電路的要求,同時可以省去自持供電電路。用它作為啟動電路簡化了穩壓反饋控制電路,降低了電源成本。

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