文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2015)02-0142-04
0 引言
為了充分利用LED燈的優(yōu)勢(shì),一些經(jīng)典的電源驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被優(yōu)化和重新設(shè)計(jì),。在隔離型AC/DC轉(zhuǎn)換器中,,有兩種主要的反饋模式:一種是文獻(xiàn)[1-2]中所述的副邊反饋,需要使用光電耦合器和精密穩(wěn)壓源構(gòu)成反饋環(huán)路,,這種反饋模式成本高,,并且造成原邊和副邊不可靠的隔離;另一種是文獻(xiàn)[3-5]中所述的原邊反饋,,雖然省略了副邊反饋所必須的光電耦合器,,但是需要利用變壓器中的輔助繞組去采集輸出功率信息,,增大了變壓器的體積和成本,,并且由于輔助繞組造成變壓器原邊和副邊能量轉(zhuǎn)化效率較低,恒流精度也受到影響,。
對(duì)于隔離型反激式變換器,,在工作時(shí),變壓器區(qū)別于真正意義上的變壓器,,其實(shí)只是兩個(gè)相互耦合的電感,。所以,反激式變換器中的變壓器的初級(jí)和次級(jí)并不滿足真正意義上的變壓器所滿足的電壓比守恒,,但是根據(jù)能量守恒而滿足安匝比守恒[6],。根據(jù)這一關(guān)系,可以由原邊電流的峰值來確定副邊電流的峰值,。副邊電流過零時(shí),,原邊主要電感與寄生電容會(huì)發(fā)生諧振,通過這一信號(hào)可以控制副邊續(xù)流時(shí)間與開關(guān)周期的比值恒定,以此來獲得恒定的輸出電流,。
1 恒流原理
隔離型反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和芯片內(nèi)部模塊框圖如圖1所示,。根據(jù)反激式變換器工作原理,在開關(guān)管NM1導(dǎo)通時(shí),,變壓器原邊繞組上的電流Ip線性上升至最大值Ippk,,上升斜率是Vdc/Lp,其中Vdc是原邊繞組兩端的電壓,,Lp是原邊繞組電感,。此時(shí),由于副邊繞組上的二極管DO反偏,,副邊繞組上沒有電流,,負(fù)載靠濾波儲(chǔ)能電容CO供電。當(dāng)開關(guān)管NM1關(guān)斷時(shí),,原邊電流瞬間減小至零,,儲(chǔ)存在原邊繞組上的能量傳遞給副邊繞組,二極管DO導(dǎo)通,,副邊瞬間獲得一個(gè)電流峰值Ispk,,并線性下降,下降斜率是-(VO-0.7)/Ls,,其中VO是負(fù)載上的輸出電壓,,Ls是副邊繞組電感。
在開關(guān)管NM1轉(zhuǎn)換前瞬間,,原邊電流處于最大值Ippk,,儲(chǔ)存在原邊電感上的能量:
根據(jù)能量守恒原則,在開關(guān)管NM1關(guān)斷后瞬間,,儲(chǔ)存在副邊電感上的能量:
在此認(rèn)為理想情況下,,能量的轉(zhuǎn)換效率是100%。根據(jù)繞組的電感正比于繞組匝數(shù)的平方,,即L∝N2,,可以得到安匝比守恒關(guān)系式(3)。
所以,,反激式變換器并非真正意義上的變壓器,,而是起到反激扼流圈的作用。不同于變壓器所滿足的電壓比守恒,,反激式變換器滿足安匝比守恒[6]:
其中Np和Ns分別是變壓器原邊和副邊繞組的匝數(shù),。
如圖2所示,在開關(guān)管NM1導(dǎo)通時(shí)間Ton內(nèi),,原邊電流Ip上升至最大值Ippk:
在開關(guān)管NM1關(guān)斷后,,根據(jù)式(3)的安匝比關(guān)系,,副邊獲得的峰值電流為:
開關(guān)管NM1關(guān)斷的時(shí)間可以分為兩段,一段時(shí)間是Td,,即副邊二極管續(xù)流時(shí)間段,;另一段時(shí)間是Toff,稱為死區(qū)時(shí)間,,即原邊和副邊電流都為零的時(shí)間段,。當(dāng)Toff>0時(shí),反激式變換器工作在電流斷續(xù)模式,;當(dāng)Toff=0時(shí),,反激式變換器工作在臨界模式;否則,,工作在電流連續(xù)模式,。
如圖1和圖2所示,三角波電流Is經(jīng)過濾波電容CO后可以得到一個(gè)近似恒流的ILED,。根據(jù)電荷守恒原理,,在一個(gè)周期內(nèi),圖2所示的陰影部分面積SA1=SA2,,所以:
當(dāng)控制Ispk值恒定時(shí),,既能獲得一個(gè)恒定的LED驅(qū)動(dòng)電流ILED。
2 恒流設(shè)計(jì)
在變壓器結(jié)構(gòu)確定的情況下,,當(dāng)原邊峰值電流Ippk恒定時(shí)就能確定一個(gè)恒定值的Ispk,。可以通過電流檢測(cè)電路來確定一個(gè)恒定的原邊電流峰值,。
如圖3所示,,通過電流采樣電阻RCS將原邊電流信號(hào)Ip轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)VCS,VCS與基準(zhǔn)電壓信號(hào)Vref1通過電壓比較器Comp1進(jìn)行比較,。當(dāng)VCS>Vref1時(shí),,電壓比較器Comp1輸出低電平信號(hào)將開關(guān)管NM1關(guān)斷,則VCS的最大值被限制在Vref1,,這也就限制了原邊電流信號(hào)Ip的最大值為:
則副邊電流Is的峰值為:
圖4是一種恒定Td/T值的計(jì)時(shí)電路簡(jiǎn)圖,。
圖4計(jì)時(shí)電路中ZCD模塊是副邊電流過零檢測(cè)電路。在副邊電流減小至零時(shí),,原邊的主要電感與開關(guān)管的寄生電容之間將發(fā)生諧振現(xiàn)象,以此來作為副邊電流過零時(shí)刻的信號(hào),,如圖5所示,。文獻(xiàn)[7]描述了MOSFET的寄生電容來源于原子的橫向擴(kuò)散作用。文獻(xiàn)[8-9]是將原邊主要電感與開關(guān)管寄生電容之間的諧振的發(fā)生作為副邊電流過零信號(hào)的應(yīng)用,。
當(dāng)原邊電流到達(dá)峰值時(shí),,將控制電容Ct放電;當(dāng)副邊電流過零時(shí),將控制電容Ct充電,。電容Ct具有計(jì)時(shí)作用,,可以將副邊的續(xù)流時(shí)間Td與開關(guān)周期T的比值恒定。
當(dāng)電容上的電壓Vct上升至基準(zhǔn)電壓Vref2時(shí),,開關(guān)管NM1導(dǎo)通,。原邊電流Ip線性上升至最大值Ippk,這時(shí)比較器Comp1將輸出低電平信號(hào),,將開關(guān)管NM1關(guān)斷,,并且控制計(jì)時(shí)電容Ct放電。將副邊續(xù)流時(shí)間Td分為兩個(gè)部分Td1和Td2,,在Td1時(shí)間段,,計(jì)時(shí)電容上的電壓Vct下降至基準(zhǔn)電壓Vref2;在Td2時(shí)間段,,計(jì)時(shí)電容上的電壓Vct下降至Vmin,。副邊電流下降至零時(shí),過零檢測(cè)模塊電路將確定這一過零點(diǎn),,并控制計(jì)時(shí)電容Ct充電,。在開關(guān)管NM1再次導(dǎo)通之前,計(jì)時(shí)電容上的電壓Vct上升必須要上升至基準(zhǔn)電壓Vref2,。
在IC中,,將設(shè)計(jì)對(duì)于計(jì)時(shí)電容Ct充放電的電流Ic和Id由同一個(gè)電流源Iref鏡像而來。設(shè)Ic=1 Iref,,Id=2 Iref,。
開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間為:
開關(guān)周期T為:
副邊續(xù)流時(shí)間為:
則副邊續(xù)流時(shí)間與開關(guān)周期的比值為:
根據(jù)式(15)可知,副邊續(xù)流時(shí)間與開關(guān)周期的比值與計(jì)時(shí)電容Ct上的電壓能上升的最大值和能下降的最小值無關(guān),,只與計(jì)時(shí)電容Ct的充電電流與放電電流的比值有關(guān),。
綜上所述,就可以控制Ispk和值恒定,。輸出電流:
3 仿真
根據(jù)上述的設(shè)計(jì)原理,,利用華虹公司的1 m 40 V工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。電氣參數(shù)如表1所示,。
如圖7所示,,在開關(guān)管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)閿嚅_狀態(tài)后,Vout上有振蕩信號(hào),。這是由變壓器的漏感Lleak和寄生電容之間發(fā)生了諧振,。其振蕩信號(hào)有可能被過零檢測(cè)電路誤判為副邊電流過零信號(hào),所以要在開關(guān)管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)閿嚅_狀態(tài)后設(shè)置一段屏蔽時(shí)間,,使過零檢測(cè)電路在這段時(shí)間內(nèi)不工作,,以防止誤判的發(fā)生,。
使用輔助繞組的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中,可以通過輔助繞組反饋的電壓信息來判斷輸出電流電壓是否過大,,以此來作為輸出電壓過大的保護(hù)使能信號(hào),。在本文省略輔助繞組的反激式驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中,可以通過限制副邊續(xù)流的時(shí)間來起到過壓保護(hù)的作用,。輸出電壓VLED的最大值為:
副邊續(xù)流時(shí)間Td可以通過過零檢測(cè)電路來判定,,當(dāng)Td小于一個(gè)特定的值時(shí),則判斷VLED過大,,啟動(dòng)過壓保護(hù),。
如圖6所示,Vmin≥0,,對(duì)于二極管的最大續(xù)流時(shí)間Td是有限制,,也就意味著對(duì)于最大負(fù)載量是有限制的。否則會(huì)出現(xiàn)計(jì)時(shí)電容上的電壓Vct存在觸底平坦的時(shí)間段,,在這種情況下恒流效果就得不到保證,。根據(jù)式(14)有:
與之相對(duì)應(yīng)的是觸頂平坦時(shí)間,當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間Ton過長(zhǎng)時(shí),,就會(huì)出現(xiàn)這種情況,,這同樣會(huì)影響恒流精度。
4 結(jié)論
在反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,,當(dāng)副邊電流過零時(shí),,由于原邊主要電感和開關(guān)管的寄生電容之間會(huì)發(fā)生諧振,這一諧振信號(hào)可以用于副邊續(xù)流時(shí)間結(jié)束的信號(hào),。通過計(jì)時(shí)電容的充放電來實(shí)現(xiàn)對(duì)于開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間,、副邊續(xù)流時(shí)間和截止時(shí)間的計(jì)時(shí),以此來控制副邊續(xù)流時(shí)間與周期的比值恒定,,并且,,通過采樣電阻來確定原邊電流的最大值。根據(jù)電荷守恒定律,,輸出電流由于以上兩個(gè)值的確定而恒定,。
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