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转换器电压技术双开关正激转换器及其应用设计

关键词:正激转换器,双开关正激,NCP1252,磁芯复位

摘要:与三次绕组和RCD钳位等常见变压器磁芯复位技术相比,双开关正激技术不需要特殊的复位电路,更易于实现,且保证可靠的磁芯复位,适用的功率等级比单开关正激技术更高。安森美半导体的NCP1252是一款增强型双开关正激转换器,具有可调节开关频率及跳周期模式,带闩锁过流保护等多种保护特性,适合计算机ATX电源、交流适配器、UC38xx替代及其它任何需要低待机能耗的应用。

单开关(或称单晶体管)正激转换器是一种最基本类型的基于变压器的隔离降压转换器,广泛用于需要大降压比的应用。这种转换器的优点包括只需单颗接地参考晶体管,及非脉冲输出电流减小输出电容的均方根纹波电流含量等。但这种转换器的功率能力小于半桥或全桥拓扑结构,且变压器需要磁芯复位,使这种转换器的最大占空比限制在约50%。此外,金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)开关的漏电压变化达输入电压的两倍或更多,使这种拓扑结构较难于用在较高输入电压的应用。

1:正激转换器不带磁芯复位与带磁芯复位之对比。

正激转换器中,变压器的磁芯单方向磁化,在每个开关周期都需要采用相应的措施来使磁芯复位到初始值,否则励磁电流会在每个开关周期增大,经历几个周期后会使磁芯饱和,损坏开关器件。相对而言,如果有磁芯复位,电流就不会在每个开关周期增大,电压会基于励磁电感(Lmag)反相并使磁芯复位。图1以单开关正激转换器为例,简要对比了无磁芯复位与有磁芯复位的电路图及励磁电感电流波形。

有3种常见的标准磁芯复位技术,分别是三次绕组,电阻、电容、二极管(RCD)钳位和双开关正激。三次绕组磁芯复位技术的电路示意图参见图1b),这种技术能够提供大于50%的占空比,但开关Q1的峰值电压可能大于输入电压的2倍,而且变压器有三次绕组,使变压器结构更复杂。RCD钳位磁芯复位技术也能使占空比大于50%,但需要写等式和仿真,以检验复位的正确性,让设计过程更复杂。RCD钳位技术的成本比三次绕组技术低,但由于复位电路中的钳位电阻消耗能量,影响了电源转换效率。

2:双开关正激转换器电路原理图。

与前两种磁芯复位技术相比,双开关正激更易于实现,而且开关Q1上的峰值电压等于输入电压,降低了开关所承受的电压应力。这种技术需要额外的MOSFET (Q2)和高端驱动器,且需要2个高压低功率二极管(D3和D4),参见图2。双开关正激技术的每个开关周期包含3步:第1步,开关Q1、Q2及二极管D1导通,二极管D2、D3及D4关闭;第2步,开关Q1、Q2及二极管D1关闭,而二极管D2、D3及D4导通;第3步,开关Q1、Q2及二极管D1仍然关闭,二极管D2仍然导通,而二极管D3及D4则关闭。

当然,采用这种技术后,转换器就成了双开关正激转换器,它不同于单开关正激转换器,不需要特殊的复位电路就可以保证可靠的变压器磁芯复位,可靠性高,适合更高功率等级。

NCP1252双开关正激转换器演示板规格概览

NCP1252是安森美半导体新推出的一款改进型双开关正激转换器,适合于计算机ATX电源、交流适配器、UC38XX替代及其它任何要求低待机能耗的应用,相关能效测试结果将在后文提及。这器件也是一种固定频率控制器,带跳周期模式,能够提供真正的空载工作。此外,NCP1252具有可调节开关频率,增强设计灵活性;还带有闩锁过流保护功能,能够承受暂时的过载。其它特性还包括可调节软启动时长、内部斜坡补偿、自恢复输入欠压检测等。

NCP1252与市场上不含输入欠压检测、软启动及过载检测的UC384x系列器件相比,提供这系列器件所不包含的这些功能(额外实现成本为0.07美元),降低成本并提升可靠性。

安森美半导体基于NCP1252构建的演示板规格包括:

输入电压范围:350至410 Vdc;

输出电压:12 Vdc,精度±5%;

额定输出功率:96 W (8 A);

最大输出功率:120 W (每分钟持续5秒);

最小输出功率:真正空载(无假负载);

输出纹波:50 mV峰值至峰值;

最大瞬态负载阶跃:最大负载的50%;

最大输出压降:250 mV (5 µs内从输出电流=50%到满载(5 A到10 A))。

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