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降压电路的拓扑分析和计算

高工
2009-10-02 14:20:03    评分
降压电路是一种基本的DC/DC变换器。随着IPM驱动和MCU供电、LED照明驱动、继电器和交流开关供电等小功率、直接从母线电压供电的应用场合越来越多,而目前的大部分DC/DC变换器输入电压一般在50V以内,一种高压的降压型斩波变换器被研究和使用得越来越广泛。考虑到降压电路构成简单、成本较低,因此这种变换器具有良好的市场前景。本文对其原理和高压降压电路应用设计进行了详细地阐述。

  

降压电路拓扑分析

 

图1是降压拓扑的电路图。当t=0时驱动S导通,电源Uin向负载供电,电感电流iL线性上升。当t=ton时控制S关断,二极管VD续流,电感电流呈线性下降。

图1:降压拓扑电路图。
图1:降压拓扑电路图。

  

  根据电感电流是否连续,可分为连续电流模式(CCM)、不连续电流模式(DCM)和临界电流模式(BCM或CRM或TM)。通常串接较大电感L使负载电流连续且纹波小。但是小功率SMPS中为了减小噪声以及损耗,通常选定电感电流不连续模式(DCM)。CCM和DCM下的各参数波形如图2所示。

 

 

图2:CCM和DCM下主要参数波形。
图2:CCM和DCM下主要参数波形。

 

1. BCM和CCM

 

  设IL为iL的平均值,△iL是iL的纹波值。则在BCM和CCM模式下:

  稳态时:

从(3)和(4)得:

从(1)、(2)和(5)得: 在CCM下, (5)取>号

在BCM下, (5)取等号, ==> L=R*Ts*(1-D)/2

 

2. DCM

 

  设图2中t1处iL=0,且a=(t1-ton)/Ts=t1/Ts-D。则稳态时 L上电压开关周期平均值为0:

C在开关周期内电流平均值为0:

iL的平均值:IL=△iL*(D+a)/2<△iL/2

Load电流: Io=Uo/R

  根据(7)、(8)和(4)得: 0.5*[(Uin-Uo)/L]*D*Ts*[Uin*D/Uo]=Uo/R

    且: K=2*L/(D2*Ts*R)=2/(D2*x), x=Ts*R/L, y=Uo/Uin。

    

 

图3:各模式下Uo/Uin的比值变化图。
图3:各模式下Uo/Uin的比值变化图。 

降压仿真

 

  使用SACT软件对降压电路进行仿真。若输出电压Uo=15V、输入电压Uin=220V,则选取驱动脉冲P1占空比D=Uo/Uin=15/310=0.04839。选取R=75Ω,则输出电流Iout=15/75=0.2A。取频率为f=100kHz,按照临界电感电流模式(CRM)来设计,L=R*T*(1-D)/2=75Ω*(1-0.04839)/(2*100kHz)=0.71mH。

 

  相应的电路和波形如图4所示。波形从上而下分为:Vdc1,Vds(SW),VR1、IL1和ID1。

 

 

图4:降压拓扑电路仿真图。
图4:降压拓扑电路仿真图。

 

实现降压电路的控制器A635x

 

1. A635x方框图

 

  STR-A635x系列是内置功率MOSFET和控制器的Flyback型开关电源用厚膜集成电路。A635x为PRC工作方式,采用DIP-8封装,最适于小功率电源。由于所需外接器件很少,电路设计简?g,因此容易实现电源的小型化和标准化。注:PRC为Pulse Ratio Control(关断时间一定的导通脉冲宽度控制)的缩写。 

 

图5:A635x的方框图。
图5:A635x的方框图。

 

A635x特点:

 

● 小型DIP-8绝缘封装,适合于低背、小容量开关电源。

● 使用On Chip Trimming技术,振荡器内置于控制器MIC中。

● 控制器内部的比较器使用了温度补偿,温度漂移小。

● 电源启动前控制器的工作电流小(50μAmax)。

● 内置有源低通滤波器,使电源在轻负载时能稳定工作。

● 使用高耐?RMOSFET,保证MOSFET的雪崩能量:

● 由于保证MOSFET的雪崩能量,因此可以简化浪涌吸收电路的设计

● 可免除Vdss的余量设计

● 内置MOSFET的定电压驱动电路

● 丰富的保护功能

● 过电流保护(OCP):逐个脉冲方式

● 过电压保护(OVP):锁定方式

●过热保护(TSD):锁定方式

 

  A635x的方框图如图5所示。

  

2. PRC控制

 

  定电压控制是以固定MOSFET的OFF时间(?P15μsec)、调节ON 时间的PRC工作方式进行。该工作方式为PRC方式。

 

 

图6:PRC定电压控制动作电路图。
图6:PRC定电压控制动作电路图。

 

  输出电压的定电压控制是由光耦的反馈电流实现的。当VR5电压(ID的峰值)+VR4电压(FB电流)之和达到Comp.1 反转阈值时MOSFET关断。故A63系列为电流控制方式。

 

  一般的,在电流控制方式下轻载时VR4的电压较大(由于光耦的反馈量较大),MOSFET导通时的浪涌电流产生的噪声易使Comp.1误动作。A63系列为了防止这种现象,在MOSFET关断期间使用一个A-LPF降低OCP/FB端子与GND间的阻抗。这是一个0.8mA 的定电流电路,在MOSFET导通前,流入OCP/FB的定电流降低反馈电流产生的偏置电压,使电源能在轻载时稳定工作。

 

  与ST的Viper12相比,两者的反馈方式和开关电流设置等特点如表1所示。

 

表1:ST与Viper12对比表。
表1:ST与Viper12对比表。 

应用实例

 

1.参数选择

 

电感Lp:在PWM动作模式下,电感选择可依据:

 

其中:Po为输出功率,Idp为开关电流峰值,fsw为开关频率。

 

在PRC动作模式下,并且处于电感电流临界模式时,

 

式中:R是负载电阻,T是开关周期。

 

 [计算例] Uin.ac=90V时,Idp=0.236A,Po=1.5W,fsw=59.2kHz(根据5.3节动作波形)。于是,Lp≌(2Po)/(Idp2*fsw)=2*1.5W/[(0.236) 2*59.2kHz]=0.8?mH。

 

若要计算临界电感电流模式(BCM)下的电感值,可根据(2)式:Lb=0.5*(Uo/Io)*Toff=0.5 *(15V/0.1A)*15μs=1.125mH。

 

由于现在采用的电感Lp=0.77mH

输入电容Cin:

上式中:I是放电电流,η是效率,△U为输入电压的纹波值,t是电容向负载释放电流的期间,T是整流周期,t由下式计算:

 

,其中Uinmin与Upeak分别为输入交流Uin的最小、最大值。

 

 [计算实例] Uin.ac=90V是条件最苛刻的状态,按此电压计算,Upeak=90*1.414=127.3V,Uinmin=90*1.414*0.9=114.6V,全波整流下T=10ms。所以,t=10ms*(0.75+arcsin(114.6/127.3)/2π)=10ms*(0.75+0.18)=9.3 [ms]。取效率η=0.6,

则:Cin=(1.5W*9.3ms)/(0.6*114.6*(127.3-114.6))=16.9 [μF]。

 

 本实验中,输入电容的值取为22μF/400V。输出电容Cout:

 

式中:△Uo是输出纹波电压,D是占空比,L是输出电感值,Ts为开关周期。

 

 [计算实例] Ton=Lp*(Idp/Uin.min-Uo)=0.77mH*0.236A/(114.6-15)V=1.83[μs],T =Ton+Toff.max=1.83+18=19.83[μs] 。

 

  T =19.83[μs],D=Ton/T=9.23%,△Uo=15V*1%=0.15V,则:Cout=(19.83μs)2*15V/(8*0.75V*0.77mH)*(1-9.83%)=5.76μF。

 

 本实验中,输出电容的值取为10μF/35V取即可满足要求

2.应用电路图

 

  基于上述计算,主要参数选取为:电感为0.77mH,续流二极管为RL3A,输出电容400V/22μF,输出电容35V/10μF,OCP电阻Rocp=2.7Ω,启动电阻1MΩ。反馈电路的参数为14A的稳压二极管和1kΩ的电阻。A635x构成降压应用电路,详细请参考图7。

 

 


图7:A635x构成降压应用电路。

 

5.实验结果与讨论

 

1.效率:见表2。

 

表2:典型输入电压下电源效率。
表2:典型输入电压下电源效率。

 

2.输出静态性能:见表3。  

 

表3:输出静态性能。
表3:输出静态性能。

 

3. 动作波形

 

实验条件:Uin.ac=90V(除非特别指出),Load=15V/0.1A 。波形如图8所示。

 

图8:动作波形实验结果分析图。
图8:动作波形实验结果分析图。
图8:动作波形实验结果分析图。
图8:动作波形实验结果分析图。

 

 

本文小结

 

  STR-A635x构成的降压电路DC/DC变换器能正常工作,输出能满足规格要求。利用A635x中的MOSFET,构成降压电路拓扑结构,并用稳压二极管与电阻结合构成反馈电路,形式简单。A635x在电源正常时工作效率也较高,并且由于是PRC模式,OFF时间一定,电感设计较为方便。

 

  这种电路可用于IPM/MCU驱动和供电、LED显示、继电器和交流开关等的小功率供电的场合。因为这种电路构成成本较低,因此具有良好的市场前景。 

 

  

作者:张祥东,钱峰

  华东理工大学自动化研究所




关键词: 降压     电路     拓扑     分析     计算     电压     电感     电流         

菜鸟
2009-10-03 10:32:53    评分
2楼

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