1 引言
據(jù)統(tǒng)計,目前開關(guān)電源已有約14種拓?fù)湫问街郲1],,而每一種拓?fù)涠加衅浜线m的應(yīng)用場合。作為CRT彩電和監(jiān)視器一類電源,人們已把反激型變換器看作成它的主流形式,究其原因大致有以下幾點:
1)反激型變換器使用變壓器作耦合,它能將‘熱地’與‘冷地’分開,,這為電視機(jī)用戶提供了使用安全性,;
2)與同樣帶有變壓器的正激型變換器相比,現(xiàn)在次級無需接入耐高壓的輸出扼流圈及價格不菲的續(xù)流二極管,,這既節(jié)省了空間又降低了成本,;
3)次級可多繞組輸出,其主繞組可很輕易地做到數(shù)百伏直流輸出并具有良好的輸入電壓和負(fù)載變化調(diào)整率,,至于各副繞組除了對主繞組的負(fù)載變化調(diào)整率稍低一點外,,其余輸入電壓調(diào)整率卻能與主繞組持平,這是正激型變換器所做不到的,;
4)通過對變壓器初/次級匝數(shù)比及各繞組位置安排的精心設(shè)計和調(diào)整,,有可能使反激型變換器在AC85~270V寬市電范圍內(nèi)都能保持接收圖像質(zhì)量不下降,這就解決了電視機(jī)電源的世界適用問題;
5)只使用單功率管作開關(guān),,比起其它拓?fù)渥儞Q器是最節(jié)省的,。
當(dāng)然反激型變換器也有它的限制,,就是受目前的功率器件以及磁芯元件的性能所限,其單管輸出功率最大只能達(dá)到200W左右,,但作為彩電用途已足夠,,因為即使含有重低音WOOFER功能的34吋大屏幕彩電,其電源輸出功率也不外是145W左右,。因此從性能價格比考慮,,現(xiàn)在多數(shù)電視機(jī)廠家都樂于采用此類變換器。
作者曾多年從事彩電開關(guān)電源研制,,本文結(jié)合過去的工作經(jīng)驗,,試圖從彩色電視機(jī)電源應(yīng)用角度,談?wù)劮醇ば妥儞Q器基本原理和工作方式,,電視機(jī)對反激變換器的獨特要求,,以及單管反激變換器的工程設(shè)計方法及調(diào)試經(jīng)驗等。祈望有助于業(yè)界人士和廣大電視機(jī)維修人員的工作,。
2 反激型變換器原理和兩種工作方式
單管反激型變換器電路及其工作波形如圖1所示。當(dāng)Q1被輸入脈沖驅(qū)動而導(dǎo)通時,,流過Np繞組的初級電流會以斜率為VDC/Lp線性上升,,在導(dǎo)通時間(ton)結(jié)束時刻,初級電流i1已升到峰值
I1P=×ton (1)
圖1 基 本 電 路 及 波 形
同時磁芯內(nèi)存儲有能量
E= (2)
當(dāng)Q1截止時,,磁芯內(nèi)儲能向次級釋放,,因為電感內(nèi)的電流不能突變,所以在截止開始瞬間,,初級電流傳遞到次級并使次級電流峰值為
I2P=I1P (3)
這個電流會直接向輸出電容充電,。經(jīng)過幾個周期后,次級直流電壓VO已建立,,此時伴隨Q1截止,,I2會從NS流出,其值為
i2=I2P-t (4)
式(4)表明,,在截止期間的i2是線性下降的,,它反映了磁芯儲能釋放情形。根據(jù)磁芯儲能是否全部釋放可導(dǎo)出反激型變換器的連續(xù)與不連續(xù)兩種工作方式,,事實上隨著輸入市電電壓或者電視機(jī)接收負(fù)載(例如音量,,輝度)的變化,電視機(jī)電源都有可能經(jīng)歷這兩種工作方式,。
1)不連續(xù)工作方式如果市電電壓較低或者電視機(jī)接收負(fù)載過重,,就使次級電流i2在Q1的下一次導(dǎo)通之前已下降到零,這表明所有磁芯儲能已傳送到負(fù)載,,此后Q1的每一次導(dǎo)通,,相應(yīng)的初級電流i1及磁通 都要從零開始上升,。這種工作狀態(tài)叫不連續(xù)方式,其波形如圖2所示,。
圖2 不 連 續(xù) 方 式 波 形
現(xiàn)時,,在一個周期T內(nèi)從電源VDC輸入的功率Pi為
Pi== (5)
假定電源的效率為80%,即
Pi==1.25= (6)
由式(6)得輸出電壓NO為
VO=VDCton (7)
式(7)說明:
(1)如果圖1電路工作在不連續(xù)方式,,若不小心將負(fù)載RL開路,,則有可能因輸出電壓VO過大而燒壞管子,這種情況在調(diào)試時是時有發(fā)生的,;
(2)即使圖1能正常工作,,其輸出電壓VO亦會隨著輸入電壓VDC和負(fù)荷RL的變化而變化,極不穩(wěn)定,。為了得到穩(wěn)定的輸出電壓,,需要象圖3那樣加入一個反饋穩(wěn)壓電路,它是由輸出電壓采樣分壓器,,EA誤差放大器和一個由直流電壓控制的可變寬度脈沖發(fā)生器組成,。從式(7)可見,此反饋電路必須能夠保證在VDC或RL升高時,,降低ton,,或者在VDC或RL下降時升高ton。
圖3 帶 反 饋 穩(wěn) 壓 電 路 的 變 換 器
功率管Q1所承受的最大電壓應(yīng)力的計算:
在Q1截止期間因有次級電流i2流過NS,,在NS上產(chǎn)生的電壓幅值近似為輸出電壓VO(忽略二極管正向壓降及引線損耗),,此電壓反映在初級繞組NP上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢VNP:
VNP=VO (8)
因此截止時功率管Q1所承受的最大電壓應(yīng)力為
VDSmax=VDCmax+VNP=VDCmax+VO (9)
在實際運用時,Q1所承受的最大電壓應(yīng)力不僅限于VDSmax,,同時還要加上由變壓器漏感所帶來的附加電壓尖峰(估計約為0.3VDC),,而且在選雙極型管時,需要注意以上二者之和應(yīng)該比所選管的額定值VCEO小30%,,這樣才有足夠的安全余量,。
2)連續(xù)工作方式如果市電電壓升高或者接收負(fù)載減輕,這使次級電流i2在Q1的下一次導(dǎo)通到來之時仍未下降到零,,磁芯仍含有一部分儲能,,它會反映到初級,使此后Q1的每一次導(dǎo)通,,相應(yīng)的初級電流i1及磁通φ都不是從零而是從一個恒定值開始上升,。這種工作狀態(tài)叫連續(xù)方式,其波形如圖4所示,。
圖4 連 續(xù) 方 式 波 形
應(yīng)該指出,,根據(jù)磁通復(fù)位原則,在連續(xù)方式中會存在一個磁通平衡點φO,,在φO的基礎(chǔ)上讓導(dǎo)通時的磁通增加量Δφ1等于截止時磁通減少量Δφ2,,故有
VDCton=VOtoff
得出
VO=VDC= (10)
由式(10)可知,,如果圖1的電路工作在連續(xù)方式中,則輸出電壓VO只取決于匝數(shù)比NS/NP,,時間比ton/toff以及輸入直流電壓VDC,,而和負(fù)載RL無關(guān)。
同樣地,,實際的電源應(yīng)該象圖3那樣加入反饋電路,,那么由式(10)可知,這個電路的作用應(yīng)該是當(dāng)輸入直流電壓VDC升高時,,讓ton減少,,或者當(dāng)VDC減少時,讓ton升高,,以便保持輸出電壓VO不變,。
如果將式(8)代入式(10),則有
VDCton=VNPtoff (11)
由此可進(jìn)一步簡化式(9),,即截止時功率管Q1所承受的最大電壓應(yīng)力可化為
VDSmax=VDCmax+VO=VDCmax+VDCmax= (12)
考慮功率管還要承受由變壓器漏電感所引起的電壓尖峰(其值約為0.3VDCmax),。因此實際VDSmax′應(yīng)為
VDSmax′=VDSmax+0.3VDCmax=1.3VDCmax+(NP/NS)VO (13)
3)實例
有一29吋電視機(jī)其最大輸入市電電壓為AC 264V,變壓器NP=32匝,,NS=28匝,,VO=140V,則由式(13)得出VDSmax′=1.3××264V+160V=645V,。設(shè)計時,對MOSFET管要選擇其VDS耐壓≥VDSmax′的,,下面介紹連續(xù)方式的輸入,、輸出電流與負(fù)載功率的關(guān)系。
圖5示出連續(xù)方式的初級和次級電流波形,。其輸出功率等于輸出電壓乘次級電流脈沖的平均值?,F(xiàn)定義ICSR為次級電流脈沖線性斜坡部分的中點值,故有
PO=VOICSR=VOICSR(1-ton/T) (14)
ICSR= (15)
圖5中的初級電流脈沖線性斜坡部分的中點值ICPR,,則由Pi=1.25PO=VDCICPR得
ICPR= (16)
圖5 連 續(xù) 方 式 中 的 初 次 級 電 流 臺 階
需要注意的是,,連續(xù)方式的出現(xiàn)剛好在初級電流斜坡出現(xiàn)臺階的時候,由圖5可見當(dāng)ICPR升高到等于斜坡幅度ΔI1P的一半時,,電流臺階開始出現(xiàn),,此時的ICPR在連續(xù)方式中是最小的,結(jié)合式(16)有
ICPRmin=ΔI1P=
或者
ΔI1P= (17)
上式的tonmax可由式(11)在給定的最小VDCmin下求出,。又因ΔI1P=(VDCmin)ton/LP故有
LP== (18)
利用式(10)~(18),,可以計算工作于連續(xù)方式下的反激型變換器各相關(guān)參數(shù)值。需要指出的是,,分別按二種方式來設(shè)計反激型變換器,,會得出很不同的結(jié)果,。例如文獻(xiàn)[1]曾使用不連續(xù)與連續(xù)兩種工作方式分別設(shè)計一個工作于50kHz的DC/DC反激變換器,假定其輸入DC電壓為38V,,輸出5V,,輸出功率為50W,則對初級電感LP以及初次級電流會得出如下表1所示的很不同結(jié)果,。
表1 不同工作方式下的反激型變換器設(shè)計比較
計算結(jié)果 | 工作于不連續(xù)方式 | 工作于連續(xù)方式 |
---|---|---|
初級電感LP/μH | 52 | 791 |
初級峰值電流/A | 6.9 | 2.77 |
次級峰值電流/A | 62.0 | 24.6 |
ton/μs | 9.49 | 11.86 |
toff/μs | 6.5 | 8.13 |
4)兩種工作方式的比較
由表1可見反激型變換器的兩種工作方式會有很不同的運行特性,。不連續(xù)方式的優(yōu)點是對負(fù)載電流或輸入電壓的突然變化反應(yīng)迅速,這使相應(yīng)的輸出電壓的瞬時改變較小,。但其缺點是次級峰值電流為連續(xù)方式的2~3倍(相對于同一個輸出電流平均值而言),。因此在開關(guān)管截止之初,不連續(xù)方式會有一個較大的瞬態(tài)輸出電壓尖峰,,這將要求一個較大的LC濾波器去消除它,。在開關(guān)管截止之初形成的過大的次級峰值電流同時引起RFI問題。即便對于中功率輸出,,由于進(jìn)入輸出母線電感的di/dt值很大,,它在輸出地線上生成很嚴(yán)重的噪聲尖峰。由于不連續(xù)方式的次級電流有效值比連續(xù)方式高出近兩倍,,這就要求次級導(dǎo)線線徑較大以及有一個紋波電流額定值較大的輸出濾波電容,。同時次級輸出整流二極管也必須耐受高的溫升。另外初級峰值電流也大于連續(xù)方式的兩倍,,如圖2所示,,在電流平均值相同的情況下,不連續(xù)方式的三角形電流波形其峰值顯然比連續(xù)方式的梯形波形的峰值為高,。其結(jié)果就要求不連續(xù)方式的開關(guān)管有較高的電流額定值,,造成成本增加。同樣,,較高的初級電流也會帶來嚴(yán)重的射頻干擾(RFI)問題,。
盡管不連續(xù)方式有這么多缺點,但實用上絕大多數(shù)電源都設(shè)計為這種方式,,這是因為:第一,,不連續(xù)方式要求初級電感較小,這使它對輸出負(fù)載電流或輸入電壓的突變響應(yīng)迅速,,使相應(yīng)的瞬間輸出電壓ΔVO變化幅度不大(0.2V以下),;第二,連續(xù)方式雖有較低的初,、次級電流,,這無疑是個優(yōu)點,但它卻需要很大的LP,并使其傳遞函數(shù)有一個右半相平面零點,,容易造成閉環(huán)電路的不穩(wěn)定,。因此作為一般用途的開關(guān)電源,是較少人選用連續(xù)方式的,。但作為彩電開關(guān)電源由于其輸入電壓變化范圍大,,往往在電壓低端按不連續(xù)方式設(shè)計,但到了電壓的中高端,,電路仍不可避免地進(jìn)入連續(xù)方式,,此時變換器對負(fù)載電流的突然變化(例如圖像亮度,音量突變等)響應(yīng)慢,,VO的瞬時變化ΔVO加大(約0.2~0.5V),,直接影響行輸出級變壓器各繞組輸出電壓的改變,幸虧由于顯像管束電流量與陽極高壓等是同時加大(減?。┑?,束電流射到屏幕上會減弱陽極高壓的變化,如果調(diào)整合適就能消除因ΔVO所帶來的對圖像抖動的大部分影響,,當(dāng)然此時我們要注意把反饋環(huán)路中的誤差放大器帶寬調(diào)整得窄一些,,以便讓此類變換器能穩(wěn)定地工作。
5)PWM控制方法
在實際應(yīng)用中,,單管反激型變換器存在自激式和它激式兩種,。自激式電路簡單,但穩(wěn)壓性能較差,,僅適用于小功率應(yīng)用,。在早年的14吋~21吋小屏幕的彩色電視機(jī)中不乏采用這種由全分立元器件組成的變換器。但目前它激式已廣泛流行,,它是用外加控制含驅(qū)動級的IC來控制開關(guān)管工作,,主要采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)。但實現(xiàn)PWM的方法也有多樣,,其中主要有:
(1)直接由占空比控制
如圖6所示。將控制電壓VC與一個固定頻率的鋸齒波電壓相比較后得出一個寬度可變的脈沖,,由它來控制開關(guān)管的導(dǎo)通時間,。
(a) 原 理 圖
(b) 比 較 器 輸 入
(c) vg
圖6 直 接 占 空 比 控 制
(2)電壓前饋控制
它很類似于占空比控制,但有一點不同的是現(xiàn)在的鋸齒波電壓幅值VS是正比于輸入電壓Vi的,,如圖7所示,。
(a) 原 理 圖
(b) 比 較 器 輸 入
(c) vg
圖 7 Buck電 壓 前 饋 控 制
(3)電流控制
這是SMPS廣泛使用的技術(shù)。其控制電壓VC不再與一個獨立產(chǎn)生的鋸齒波電壓進(jìn)行比較,,而是把VC與一個和初級電流成比例的電壓作比較,,形成一個第二內(nèi)部控制環(huán)路。如圖8所示,。
(a) 原 理 圖
(b) 時 鐘 脈 沖
(c) 比 較 器 輸 入
(d) 比 較 器 輸 出
(e) vg
圖 8 Buck電 流 模 式 控 制
(4)準(zhǔn)諧振技術(shù)
電流控制,,但toff也稍作某些延遲以使開關(guān)管在最低的電應(yīng)力下導(dǎo)通,,這叫做電流型PWM加準(zhǔn)諧振技術(shù)。這是目前最普遍使用的,。