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怎样实现最佳的DCM反激式转换器设计?

日期:2022年06月20日

       反激式转换器可以在连续导通模式和非连续导通模式下运行。但对于许多低功率和低电流应用, 反激式转换器更紧凑且更便宜。本文将详细介绍此类转换器的设计步骤。操作的特点是转换器的整流器电流在下一个开关周期开始之前降至零。在切换之前将电流降低到零会降低 FET 耗散并降低整流器损耗, 并且通常会降低变压器尺寸要求。另一方面, 操作会保持整流器的电流导通, 直到整个开关周期结束。我们在关于反激转换器的关键设计考虑因素和反激转换器设计细节和损耗计算的文章中介绍了反激转换器设计考虑因素和反激转换器设计考虑因素。功率等级公式。操作最适合中高功率应用, 但对于低功率应用, 可以使用反激式转换器, 请继续阅读。图 1 显示了一个简化的反激原理图, 它可以在 OR 模式下运行并根据时序在模式之间切换。为了使电路保持在模式下工作,

正如本文将评估的那样, 关键元件的开关波形应具有图 2 所示的特性。在占空比期间,

1 导通, 电路开始工作。 1 初级绕组中的电流始终从零开始, 并上升到由初级绕组电感、输入电压和导通时间决定的峰值1。在此导通时间内,

二极管 1 由于 1 的次级绕组的极性而反向偏置, 迫使所有输出电流在 1 和 3 期间由输出电容器提供。图片1:可在 OR 模式下工作的简化反激式转换器原理图。当 1 在周期 1 期间关闭时, 1 的次级电压极性反转, 允许 1 将电流传导到负载并对其充电。 1 中的电流在 2 期间从峰值线性减小到零。一旦 1 存储的能量耗尽, 在剩余的时间段 3 中只会保留振铃。这种振铃主要是由于 1 的磁化电感和寄生电容造成的1、1 和 1。
       这很容易从 3 期间 1 的漏极电压看出, 它从正反射输出电压回落, 因为一旦电流被切断,

1 就无法支持该电压。 (注:3中没有足够的死区时间, 有可能进入运行。电流总和与1和1相同, 但没有直流偏移。图2中的阴影区域和突出显示的变压器在1和 2 期间的伏-微秒乘积, 它们必须平衡以防止饱和。区域代表 1 和代表 2, 均以次级为参考。是变压器初级与次级匝数比。图 2:反激 关键电压和电流开关波形转换器的参数和设计人员必须指定的几个关键参数。表 1 详细说明了与电感相关的特性降低了占空比。它允许您限制设计的最大占空比。如果您想使用特定的控制器或保持在特定的开或关时间限制内。较低的电感器需要较低的平均能量存储(尽管与设计相比具有较高的峰值电流, 通常也允许使用更小的变压器。此设计的另一个优点是消除了标准整流器中的 1 反向恢复损耗, 因为在 2 结束时电流为零。反向恢复损耗通常表现为 1 中耗散的增加,

因此消除它们可以减少开关晶体管上的压力.由于整流器的反向恢复时间也随着二极管额定电压的增加而增加, 因此这种优势在更高的输出电压下变得更加明显。优点 缺点(或最小的传导损耗可能会增加 EMI 控制环路, 而右半平面为零而不是更宽的占空比操作 低输出功率的最佳选择 增加带宽变化 表 1:反激式设计与设计优点 缺点 在开始设计之前, 开发人员需要了解几个关键参数以及基本电气规格 首先选择开关频率、所需的最大占空比和估计的目标效率, 然后根据公式 1 计算时间 1:接下来, 使用公式 2 估计峰值变压器的初级电流。对于公式2中的开通电压_和电流采样电阻电压, 假设05压降较小为宜, 压降值可稍后更新。根据图2和在面积相等的情况下, 通过公式 3 计算所需的变压器匝数比: 其中 3 是所需的最短空闲时间(从 02 开始。如果您想再次更改、调整和迭代计算。接下来, 使用公式 4和 5 来计算 1_ 和 1_ 的最大平顶电压:这些元件经常由于变压器漏感而振铃, 根据经验, 实际值预计比从公式 4 和 5 获得的值高 1030%。减小可以如果 _ 高于预期, 则降低它, 但 _ 会增加。
       此时有必要确定哪个组件电压更关键, 并在必要时再次迭代计算。使用公式 6 计算 1_, 应接近公式 1: 使用公式 7 计算所需的最大初级电感: 如果选择的电感低于公式 7, 则根据需要迭代计算, 递增和递减直到和 _ 相等所需的值。然后, 使用公式 8 计算: 并使用公式 9 和 10 计算最大值及其最大 rms 值: 根据所选控制器的电流采样输入最小电流限制阈值(公式 11, 计算最大允许电流采样电阻value : 使用公式 9 中的值之和, 验证假设的电压降接近公式 2 中的采样电阻;如果差异较大, 则再次迭代。使用公式 12 和公式 13 和公式 10 的结果, 计算最大耗散耗散功率和传导损耗 1:开关损耗通常最高为 1, 因此最好使用公式 14 在整个范围内计算 1 开关损耗: 其中 是总栅极电荷, 是预期峰值栅极驱动电流。公式 15 和 16 用于计算非线性电容器充电和放电的总功率损耗。
       公式 15 中的被积函数应与实际数据表曲线紧密匹配e 介于 0 和实际操作之间。在高压应用或使用率非常低的情况下, 损耗通常最大, 它的价值也更大。通过将公式 13、14 和 16 的结果相加来估算总损耗。公式 17 表明, 此设计中的二极管损耗将大大简化。
       请务必选择次级峰值电流额定值大得多的二极管。输出电容通常选择公式 18 或 19 中较大的一个, 根据纹波电压和等效串联电阻(公式 18 或负载瞬态响应(公式 19:其中 Δ 是输出负载电流)计算得出)在 中, Δ 是允许的输出电压偏移, 但是是估计的转换器带宽。用公式 20 计算输出电容器电流: 用公式 21 和 22 估算输入电容器的参数: 公式 23、24 和 25 总结了三个关键的波形时间间隔及其关系:如果需要额外的次级绕组, 公式26可以很容易地计算出额外的绕组2: 其中1和1是调节后的输出电压。变压器初级电流与公式10相同;变压器二次电流如公式 27 所示。变压器铁芯必须能够在不饱和的情况下处理。当然, 铁芯损耗也被考虑在内, 但这超出了本文的范围。从以上步骤可以看出, 反激设计是一个迭代的过程。初始假设(例如开关频率、电感或匝数比)可能会根据后来的计算(例如功耗)而改变。不要害怕根据需要多次迭代设计步骤以实现所需的设计参数。只需一点点努力, 即可实现最佳反激式设计, 为您提供低功耗、紧凑和低成本的解决方案电源转换器的需求乞讨。 (参考原文:责任编辑:

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