RCC是自激震荡器的英文缩写,后来人们把这个电路运用于反激式拓扑,制作成反激式开关电源。RCC拓扑制作成反激式电源,也有其优势:电路简单容易制作,输出电流基本限定在一定范围,可作为LED灯的电源,输出电压范围比较宽松,适合于给蓄电池、锂电池充电。
一、基本电路形态及原理
常用电路拓扑如下:
启动:R1为启动电阻,接通电源后流经R1的电流对C1充电,当A点的电压达到0.7伏时Q1微导通,由于Nf反馈绕组与Np的进线同相(黑点表示),Nf线圈中产生感应电压Vf+,这个感应电压通过R3、C1对Q1基极提供更强大的电流使Q1饱和导通。
电流运作:Q1饱和导通后,变压器的次级线圈Ns与Np反相,D3不导通,Np线圈作为电感Lp使用,产生的电感电流为Ip,由于电感电流不能突变,电感电流线性增长,变压器磁通量亦线性增加。
充电Ton时间电流达到最大值反激:R5为发射极电流取样电阻,随着电流的增长,R5上的电压上升,当R5上的电压上升到Q2基极的导通电压,Q2导通,释放Q1的基极电流,Q1截止。电感(变压器)中的磁通量开始减少,变压器各线圈的电压极性反转,D3导通,对电容C2充电和向负载提供电流。
C1电压复位:Nf线圈中产生的反激电压对C1进行反向充电,当变压器磁能释放完毕,C1上的反向电压足以使得Q1再次导通,重复前面的过程。
描述参数:
Ton-----开关管开通时间,电感充电时间
tor-----开关管关闭时间,电感(反激)放电时间
Ip------到达Ton时电感的最大电流
T-------开关周期,完成一次开和关的时间总和,即T=Ton+tor
Vor-----电感反激电压(由设计者根据开关管耐压自行确定)
放电方程伏秒数平衡------Vin*Ton=Vor*tor
开关管导通时,电感电流从0开始线性增加到最大值Ip;开关管关闭,电流从最大值开始线性下降至0。
二、输入输出电流计算法
1、计算参数:
伏秒数平衡------Vin*Ton=Vor*tor
式中等式两边同除以周期T得到:
Vin*D=Vor*Kt
D=Ton/T Kt=tor/T
D-----占空比,充电时间占周期的比例,充电系数
Kt----反占空比,放电时间占周期的比例,放电系数
此电路中的电流Ip产生的能量要全部释放后才启动下一个周期,这种模式称为临界电流模式,即BCM模式,BCM模式D+Kt==1。
占空比计算:
整理得到:
(1)同理也可得到:
电源工作频率计算:
因为
(2)所以
RCC最佳工作频率在50千赫到100千赫之间。
2、输入电流平均值
3、输入功率
(代入)假设需求条件为:
输入功率10瓦,最低输入电压100伏,反激电压80伏,开关周期20微秒(开关频率50千赫)
用(1)式计算占空比
用(3)式计算Ip的值
用(2)式计算电感量
该电源在输入电压300伏时的频率为:
在实际运用中,电感量的偏差只影响频率,电感量小频率比预设的要高一些。如输出功率不够,可适当增加Ip电流值,只是频率比预设的要低一些,RCC设计是比较宽松的。
4、输出电流平均值计算
上式是单一电感的输出电流,现在换成变压器。
根据变压器原理:
变压器电压减小n倍,电流放大了n倍。短路电流:
当电源短路时,反激电压为整流二极管的电压Vd乘以匝比,反激电压低反激时间拉长,Kt接近于1,于是短路电流为:
(实际输出电流还要再乘以效率)输出功率:
(忽略整流管降压)输出功率跟反激电压与Ip成正比,所以反激电压取得高,输出功率大一点。
如果把
代入上式,就可以看到从输入端计算功率与输出端计算功率在不计损耗的前提下完全吻合。也可以从输出需求,计算Ip及电感L。
根据
求根据
求如加入通用比例系数,可得到:
通用系数Ks计算表 | |||
输入电压 | 反激电压 | ||
伏 | 50伏 | 80伏 | 100伏 |
100 | 33.33 | 44.44 | 50.00 |
200 | 40.00 | 57.14 | 66.67 |
250 | 41.67 | 60.61 | 71.43 |
300 | 42.86 | 63.16 | 75.00 |
350 | 43.75 | 65.12 | 77.78 |
假设在最低输入电压250伏时需要100瓦的输出功率,反激电压取100伏,从上表查到Ks为71.43。那么Ip的值为:
如果效率为0.9,该电源实际需要的Ip为:Ip=2.8/0.9=3.11安。
如周期为20微秒,那么采用电感(变压器初级电感量):
5、效率
开关电源输出二极管,特别是在低输出电压时损耗最大。
输出电压为5伏,整流管压降0.7伏,如果加上其他损耗,5伏输出电压电源的效率一般在0.8左右,高输出电压时效率可做到0.9以上。
6、伏秒数损耗
在变压器作为媒介传送能量时,由于变压器有漏感存在,所以变压器不能完整地将原边的Ip全部传送到次边,所以次级获得的电流比Ip要小些,因此引起次边的伏秒数减小,由于tor的减小,在示波器中会看到开关频率比预设的要高一些。
三、RC的取值
RC的取值是电源能否有效工作的关键,这个RC指的是下图中的C和R3。
1、中值计算方法:
假设:D=0.5,正激电压为Vf+伏,反激电压为Vf-伏。以开关管的基极作为坐标原点研究电容的变化规律,看下图:
图中:Vf+=Vf-=V D点为本周期的结束点,也是下一个周期的开始点,即A点。A与C点电压的绝对值为0.5*V
A点的开关管基极电流最大,使开关管深度饱和,B点为电容器电压的0点,C点电流最小。
电流关系:A点电流为B点电流的1.5倍,C点电流为B点的0.5倍。
根据电容方程:
用中值法计算B点电流I,当t=Ton 可得
整理可得到:
要使得在D=0.5时,电容的充放电需要对称,必须在Q2的e极、c极加电容的复位二极管。
2、大RC状态:
假设:A点C点电压绝对值为V/3
3、小RC状态:
假设:A点C点电压为V
(近似计算)
小RC情况,在C点基极电流基本到0了,看上去不能满足开关管的导通,其实结型开关管存储时间ts较长,小RC是常用的一种方式。
4、单电压设计:
单电压是指适应我国220伏工频电压,波动10%或20%时设计电源。
假设:Vf-=V,Vf+=2*V, A点C点电压为V。
得到:
单电压时,由于Ton减小,所设置的RC值可相应减小。如不接电容的复位二极管,要注意tor时间的电容的复位。
正激Ton
复位tor
(近似计算)从上面2式可解出R4
如R3为330欧姆,当D=0.3时,可计算出R4要小于439欧姆。
5、极端状态
在设计电源时往往都重视开关管如何饱和导通,但别忽视了反激时间时RC的运作。下图列举了2种极端状态。
RC非常小的状态
当电感电流没有完全释放,电容C的电压(D点电压)已经接近于反激电压,此时电容电流接近0,复位二极管(或Q2)的钳位作用消失,此时Q1有可能要启动。为避免这种情况,电路中在电容上加R2,为反激电压提供电流通路,确保钳位管在反激过程Q1的基极始终钳位在负0.7伏。
RC非常大的状态
当电感电流已经完全释放,由于R4取得太大,电容C的反向充电电压只充了一点点,即D点的电压小,这样会造成下周期打开开关管的激励不足。此时可减小R4的值。
反激结束时开关管基极电流的博弈
反激快结束时,几股电流的博弈,决定了下个周期的工作状态,反向复位(加复位二极管且R3小)电流太强或启动电流太大都会使Q1提前开启,这样会进入Ip电流连续模式,即所谓的CCM模式。正常情况下,Nf中反激电流消失,Q2基极与集电极电流消失,Q1的基极在Vc的作用下导通(可以不依靠启动电阻R1)。
同值RC的电容与电阻不同取值:
R*C=5微秒 小功率 如R=500欧姆,C=5nf
大功率下需要大电流驱动,如R=100欧姆,C=50nf。但是由于三极管ts的影响,在小R大C设置时,控制管及复位二极管会在反激回路中产生很大的电流,Vc电压快速反转,逼迫开关管导通,炸机概率增加。
四、控制电路及改进
用1300X系列三极管制作开关电源,开关管的关断特性差(上升与下降沿不陡峭),Ip与电源电压交叉时间太长,导致开关管功耗增加,开关管发热,最后导致热击穿。
1、结型开关管的输出特性
用555制作,输出频率50千赫,占空比为0.5的方波驱动结型开关管。
在示波器可以看到,开关管输出延迟将近为Ton的50%(ts时间),且上升线不陡峭。在基极电阻上加一个反向二极管或加速电容,延迟有所改善,但效果还是不好。
在开关管的发射极串一个二极管,抬高基极电位,情况发生了非常好的转变,输入、输出延迟量减小。这种接法用在RCC开关电源上效果非常好。而且电路对二极管的要求也不高,如2N4007、FR107都可使用。
下图:加三极管8550使开关管基极产生更大的负电流,使开关管迅速截止。
D采用反向恢复时间长的,基极与发射极的(二极管)反向恢复电流大,所以ts小,反之ts大。反向恢复时间短的二极管,其上升和下降沿要陡峭。
在实际的情况下,可以利用ts的存储时间,常设计成RC<<Ton。(参阅5、如何利用ts时间)
2、常用三极管关断电路
上图为关闭开关管的常用电路。由于变压器及外围电路中杂散电容存在,开关管打开的瞬间,会有一个电流尖峰,于是会在取样电阻R5上产生一个尖脉冲电压,这个电压足够大时会造成Q2误开启,关闭开关管。接C1后可抑制这个尖脉冲电压。
一般尖峰脉冲存在的时间在0.5微秒以下,那么R4与C1的时间常数设在0.5微秒到1个微秒就可以了,如果尖峰脉冲幅值小,C1可以不用。
在Ip作用下,R5上的电压逐步上升,当Vr5=Vr4+0.7伏时Q2开启,开关管关闭。
开关管的发射极电流含Ip与Ib,如Ib小可忽略。
通过R4的电流有2部分组成,一是给电容C1充电,二是Q2的基极电流,这2个电流之和,在1毫安到3毫安之间,根据下拉电流大小而定。在Ton结束时,R5上的电压可用下式估算。
(开通时Vbe为0.7伏)如R4取300欧姆,可用
进行估算。3、可控硅式关断电路
上图中Q2、Q3接成可控硅的电路形态。
优点:可控硅导通后有自锁功能,确保Vb在低电位;控制灵敏度高,流经R4上的电流很小就能开启Q2,所以R5可以这样计算:
(要求R4*C1<<Ton微秒)缺点:1、导通时压降偏大,压降约1伏到1.2伏,采用这种方式,开关管的发射极必须串二极管。带载能力差,由于Q2、Q3导通电流都是通过基极完成,所以这种可控硅式电路在开启时最多只能承受几十毫安的电流,适用于小功率电源。
2、tor结束后Q1、Q2由于深度饱和而不能解锁,使电源工作于DCM状态,输出电流远小于设计值。要使得Q1退出饱和状态,R4的取值不能太大,取300到500欧姆为宜。
4、复合型关断电路
复合型电路,吸取上面电路的优点,具有控制灵敏度高,不会自锁,带载能力强的特点。R5的计算和上面的一样。用MOS开关管这个电路最好。
开关管采用MOS管时,流经R4的电流非常小,所以
功率在10瓦以上,采用13005大功率管,Q3下拉电流较大,流经R4的电流在0.3毫安左右,在计算R5时要考虑R4上的电压。
5、如何利用ts时间
高耐压三极管,如1300X系列的ts非常大,在深度饱和的情况下,基极电流为0后,三极管继续导通,对基极施加反向电流后(类似于二极管的反向恢复),才能迫使开关管截止。
采用大RC值时,当Q2导通后,先把开关管的基极电流降为接近0,再由基极与发射极这个二极管反向恢复到Q1完全截止。从Q2开启到开关管截止,大约要1微秒时间。这样Q2要承受较大的集电极电流(图中I1与I2),Q2容易损坏。
小RC的情况就不同了。R的取值要满足开关管在开通的瞬间使开关管深度饱和,RC取小于Ton的4分之一以下。这样开关管的基极电流提早断流,开关管继续导通,到Q2开启时主要下拉电流I2,使基极与发射极这个二极管反向恢复而使得开关管截止,从Q2导通到Ip结束时间非常短,两者基本重叠。
五、开关管采用MOS管
因MOS管的开启、关闭(上升、下降沿陡峭)的性能比结型管好的多,所以用MOS管作为开关管,容易制作,稳定性好。
1、工作原理
接通电源,R1对C充电,Vc达到MOS管的开启电压后(一般VTH为4伏电压),MOS管开始导通,Nf中产生感应电压Vf+,该电压加速了MOS管的开启速度,使之完全导通,完全导通电压Vg一般在8伏左右。
随着Ip的增大,取样电阻R5上的电压达到Q2的导通电压时,Q2导通,释放Ciss的电荷,使之Q1关闭。
Q1关闭后,Nf中产生感应电压Vf-,该电压通过稳压管(正向导通)、R3对C反向充电。变压器磁能释放完毕,Nf中没有电压,稳压管0.7伏的钳位作用消失,电容电压Vc再次向Ciss充电,完成循环。
2、RC取值
MOS管的特性与结型管不同,开启MOS管的方法也不同。那么RC的计算方法也不完全一样。(下图为方便只画了MOS管的输入电容)
RC运作
先设置电容C为Ciss的5倍,这样在电流的驱动下,如果Vc减少1伏,那么Ciss的电压会升高到近5伏(这是电容串联的特性所决定的),以迅速开启MOS管。
上图中,Ton段,从A点到B点,电容C的电压迅速减少,当Ciss的电压升高后,电容电流减小,以维持MOS的导通状态。Toff段,电容C先放电后反向充电到E点。
开启MOS管的平均电流计算
开启电压从4伏到8伏,时间花了0.3微秒,如Ciss为1nf。
充电电流一般1纳微法可取15毫安进行计算。
如果电容过零点处计算回路电流,设Vf+最低为10伏,Vg=4伏,就可计算R3的值。
用Ciss充电的平均电流代入上式,可得:
R3*C的时间常数只是打开MOS管的基本要求,只要时间常数小于Ton,那么跟Ton没有对应关系,但跟Toff有关,在Toff时间内,电容电压要实现电压极性的反转,没安装稳压管的时候,R3加R4与C的时间常数要小于Toff,一般为三分之一的tor。为了有效地开启开关管,Ton要大于R3*C的2~4倍(开关频率不能设置的太高)。在实际应用中,Vf取大一点为好,如在最低输入电压时取12-15伏。
一般开关频率50千赫的电路,R3*C=2.25微秒,也可成为通用设计数据,如MOS管的Ciss为2纳微法,取C为10纳微法,可计算出R为225欧姆。
3、控制电路与光耦连接
上图为比较好的连接方式,1、采用下拉式,无需为光耦准备一个控制电压源。2、此电路用作充电器,不怕倒灌,当输出电压高时电路不工作。
4、RCC波形解读
用示波器探头靠近变压器,可获得一个震荡波形,通过对波形的观察,可了解开关电源工作正常与否。上升沿与下降沿陡峭,电源的效率比较高。
六、DRC电路计算
反激电源,非隔离式,即电感直接对负载放电,那么开关管所承受的最高电压为:输入电压加输出电压。
为了实现电气隔离,有了变压器之后情况就发生了较大的变化,变压器不能把全部的能量传送到次级,即变压器有漏感存在,当变压器电压极性发生转变的时候,在变压器初级会产生一个尖峰电压,这个尖峰电压很高,如不加以抑制就会损坏开关管。
采用变压器后,由此产生了DRC电路,其作用是把开关管关闭的瞬间,部分Ip电流不能传输到次级,损耗的电流会产生一个尖峰电压,现把这部分电流的电荷灌入到电容中,由于电容接受了电荷,电压升高△V(这个△V大大小于尖峰电压),这个升高的电压由R慢慢地消耗,即电容电压的复位。
DRC电路计算
1、电容计算
设变压器漏感为5%(即电流损耗),开关管关闭时间(导通到截止时间)为0.3微秒,电容电压增量为10伏。
由电容方程可得:
如当Ip为1安时,此电容可采用1.5nf。
2、电阻R计算
如反激电压为100伏,电容电压为Vor的1.2倍,设高一点的目的,就是电阻放电时不要把反激的能量放了。看上图可用下式计算:
整理后得到:
式中:电流为安培;电阻为千欧;周期为微秒。
如电流为1安,周期为10微秒,那么R可取82千欧左右的电阻。
3、二极管选择
开关管的关闭时间、变压器极性变换均在0.5微秒以内完成,所以D宜采用反向恢复时间在0.5微秒的二极管,在0.5微秒以内,二极管相当于一个电阻,可消耗一些高频杂波能量,如D采用FR107,反激波形中基本看不到高频振铃。
二极管的耐压不能小于开关管的耐压。
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