一種準(zhǔn)諧振反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

0 引言

準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換是十分成熟的技術(shù)，廣泛用于消費(fèi)產(chǎn)品的電源設(shè)計(jì)中。新型的綠色電源系列控制器實(shí)現(xiàn)低至150 mW 的典型超低待機(jī)功耗。本文將闡述準(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器是如何提高電源效率以及如何用UCC28600設(shè)計(jì)準(zhǔn)諧振電源。

1 常規(guī)的硬開關(guān)反激電路

圖1 所示為常規(guī)的硬開關(guān)反激式轉(zhuǎn)換器電路。這種不連續(xù)模式反激式轉(zhuǎn)換器(DCM)一個(gè)工作周期分為三個(gè)工作區(qū)間：( t0 ~ t1)為變壓器向負(fù)載提供能量階段，此時(shí)輸出二極管導(dǎo)通，變壓器初級(jí)的電流通過Np:Ns的耦合流向輸出負(fù)載，逐漸減小。

MOSFET電壓由三部分疊加而成：輸入直流電壓VDC、輸出反射電壓VFB、漏感電壓VLK.到t1 時(shí)刻，輸出二極管電流減小到0,此時(shí)變壓器的初級(jí)電感和和寄生電容構(gòu)成一個(gè)弱阻尼的諧振電路，周期為2π LC .在停滯區(qū)間( t1~ t2)，寄生電容上的電壓會(huì)隨振蕩而變化，但始終具有相當(dāng)大的數(shù)值。當(dāng)下一個(gè)周期t2 節(jié)點(diǎn)，MOSFET 導(dǎo)通時(shí)間開始時(shí)，寄生電容(COSS和CW )上電荷會(huì)通過MOSFET放電，產(chǎn)生很大的電流尖峰。由于這個(gè)電流出現(xiàn)時(shí)MOSFET存在一個(gè)很大的電壓，該電流尖峰因此會(huì)做成開關(guān)損耗。此外，電流尖峰含有大量的諧波含量，從而產(chǎn)生EMI.

2 準(zhǔn)諧振反激式設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

利用檢測(cè)電路來有效地“感測(cè)”MOSFET 漏源電壓(VDS )的第一個(gè)最小值或谷值，并僅在這時(shí)啟動(dòng)MOS-FET導(dǎo)通時(shí)間，由于寄生電容被充電到最低電壓，導(dǎo)通的電流尖峰將會(huì)最小化。這情況常被稱為谷值開關(guān)(Valley Switching)或準(zhǔn)諧振開關(guān)。這種電源是由輸入電壓/負(fù)載條件決定的可變頻率系統(tǒng)。換言之，調(diào)節(jié)是通過改變電源的工作頻率來進(jìn)行，不管當(dāng)時(shí)負(fù)載或輸入電壓是多少，MOSFET始終保持在谷底的時(shí)候?qū)?。這類型的工作介于連續(xù)(CCM) 和不連續(xù)條件模式(DCM)之間。因此，以這種模式工作的轉(zhuǎn)換器被稱作在臨界電流模式(CRM)下工作。臨界模式下MOSFET漏源電壓如圖2所示。

在反激式電源設(shè)計(jì)中采用準(zhǔn)諧振開關(guān)方案有著許多優(yōu)點(diǎn)：

(1)降低導(dǎo)通損耗

由于MOSFET導(dǎo)通具有最小的漏源電壓，故可以減小導(dǎo)通電流尖峰。減輕了MOSFET的壓力，降低器件的溫度。

(2)降低輸出二極管反向恢復(fù)損耗

由于二次側(cè)的整流管零電流關(guān)斷，反向恢復(fù)損耗降低，從而提高電源整體效率。

(3)減少EMI

導(dǎo)通電流尖峰的減小以及在準(zhǔn)諧振過程中存在頻率抖動(dòng)，將會(huì)減小EMI 噪聲，這就減少EMI濾波器的使用數(shù)量，從而降低電源成本。

3 基于UCC28600 控制器的鎢燈電源的設(shè)計(jì)

3.1 UCC28600控制器的主要特性

UCC28600 控制器的主要特性有先進(jìn)的綠色模式控制方式;低EMI 及低損耗(谷底開關(guān))的準(zhǔn)諧振控制方式;空載損耗小于150 mW(低待機(jī)電流);低啟動(dòng)電流(最大25 μA);可編程過壓保護(hù)(輸入電壓和輸出電壓);內(nèi)置過溫保護(hù)，溫度回復(fù)后可自動(dòng)重啟;限流保護(hù)：逐周期限功率，過電流打嗝式重啟;可編程軟啟動(dòng);集成綠色狀態(tài)腳(PFC使能端)。

3.2 UCC28600工作原理

UCC28600內(nèi)部集成了UVLO比較器，高頻振蕩器，準(zhǔn)諧振控制器和軟起動(dòng)控制器，待機(jī)模式跳脈沖比較器，輸入和輸出過電壓保護(hù)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

(1)UVLO比較器

UCC28600 的VDD 電壓在13 V 起動(dòng)，在低于8 V 時(shí)關(guān)閉，有5 V的滯差電壓，可以提高UCC28600工作的穩(wěn)定性。

(2)內(nèi)部振蕩器

UCC28600內(nèi)部集成了一個(gè)40~130 kHz的振蕩器。

(3)準(zhǔn)諧振控制器和軟起動(dòng)控制器

UCC28600采用準(zhǔn)諧振的開關(guān)變換器以提高轉(zhuǎn)換效率，利用變壓器的勵(lì)磁磁通，在開關(guān)關(guān)斷期間，檢測(cè)變壓器繞組的輸出電壓，如果電壓偏低及處于振蕩的波谷時(shí)，可以確認(rèn)該時(shí)刻變壓器勵(lì)磁磁通耗盡，可以開啟下一周期。該準(zhǔn)諧振模式可分為臨界導(dǎo)通模式(CRM)和不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)以及頻率調(diào)制模式(FFM)。

(4)待機(jī)模式和跳脈沖比較器

當(dāng)功率繼續(xù)減小，UCC28600進(jìn)入待機(jī)模式;頻率調(diào)制模式(FFM)頻率下降到40 kHz,不再減小;當(dāng)FB小于0.6 V 時(shí)，開關(guān)脈沖輸出關(guān)斷，當(dāng)FB 大于0.7 V 時(shí)，開關(guān)脈沖正常輸出，從而得到跳脈沖模式的待機(jī)工作狀態(tài)。

(5)輸入和輸出過電壓保護(hù)

OVP引腳為過電壓(線電壓和負(fù)載電壓)輸入腳以及諧振開通的響應(yīng)腳，此腳通過變壓器初級(jí)偏置線圈來偵測(cè)輸入過壓，負(fù)載過壓及諧振條件，其過壓點(diǎn)可通過與此腳相連的電阻來靈活調(diào)節(jié)。

3.3 鎢燈電源的技術(shù)指標(biāo)

輸入電壓：95~260 V AC 50/60 Hz;輸出電壓：5 V;輸出電流：4.3 A;可遙控關(guān)閉電源輸出。