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如何實現(xiàn)最佳的DCM反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計?

發(fā)布時間:2021-11-18 來源:電子工程專輯 責任編輯:lina

【導讀】反激式轉(zhuǎn)換器在連續(xù)導通模式 (CCM) 和非連續(xù)導通模式 (DCM)下都可以工作。但對許多低功耗和低電流應(yīng)用而言,DCM反激式轉(zhuǎn)換器更加緊湊而且成本更低。本文將詳細介紹此類轉(zhuǎn)換器的設(shè)計步驟。


反激式轉(zhuǎn)換器在連續(xù)導通模式 (CCM) 和非連續(xù)導通模式 (DCM)下都可以工作。但對許多低功耗和低電流應(yīng)用而言,DCM反激式轉(zhuǎn)換器更加緊湊而且成本更低。本文將詳細介紹此類轉(zhuǎn)換器的設(shè)計步驟。


DCM操作的特點是轉(zhuǎn)換器的整流器電流在下一個開關(guān)周期開始之前即減小至零。在切換前將電流降至零將減少場效應(yīng)晶體管 (FET) 的耗散并降低整流器損耗,而且通常也會降低變壓器的尺寸要求。


而CCM操作則直到整個開關(guān)周期結(jié)束時仍保持整流器的電流傳導。我們在“關(guān)于反激式轉(zhuǎn)換器的幾大關(guān)鍵設(shè)計考量因素”和 “CCM反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計細節(jié)及損耗計算”這兩篇文章中曾介紹了反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計考量和CCM 反激式轉(zhuǎn)換器的功率級公式。CCM操作最適合中高功率應(yīng)用,但如果是低功率應(yīng)用,則可以使用DCM 反激式轉(zhuǎn)換器,請繼續(xù)閱讀下文。


圖1顯示了一個簡化的反激原理圖,它可以在DCM 或 CCM 模式下運行,并根據(jù)時序在模式之間進行切換。為了保持電路在DCM 模式下操作,如本文將要評估的,關(guān)鍵組件的開關(guān)波形應(yīng)具有圖 2所示的特性。


在占空比周期D內(nèi),F(xiàn)ET Q1導通,電路開始工作。T1原邊繞組中的電流始終從零開始,上升至由原邊繞組電感、輸入電壓和導通時間t1決定的峰值。在此 FET 導通時間內(nèi),二極管 D1因T1 的副邊繞組極性而反向偏置,迫使所有輸出電流在t1和t3期間由輸出電容器 COUT 提供。


如何實現(xiàn)最佳的DCM反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計?

圖 1:可在DCM或CCM模式下運行的簡化反激式轉(zhuǎn)換器原理圖


當 Q1 在周期 1-D 期間關(guān)斷時,T1的副邊電壓極性反轉(zhuǎn),使D1 將電流傳導至負載并對 COUT進行充電。D1中的電流在t2期間從其峰值線性下降至零。一旦T1存儲的能量耗盡,在剩余時間段 t3 中只會剩余振鈴。這種振鈴主要是由于T1 的磁化電感以及 Q1、D1 和 T1 的寄生電容造成的。這在 t3 期間通過Q1的漏極電壓很容易看出來,該電壓從 VIN 加反射輸出電壓下降回VIN,因為一旦電流截止,T1就無法支持電壓。(注意:t3 中若沒有足夠的死區(qū)時間,將可能進入CCM操作。)CIN 和 COUT 中的電流與Q1和D1中的電流相同,但沒有直流偏移。


圖 2 中的陰影區(qū)域A和B突出顯示了變壓器在t1和t2期間的伏微秒積,它們必須保持平衡以防止飽和。區(qū)域“A”代表 (Vin/Nps)×t1 ,而“B”代表 (Vout+Vd)×t2,均以副邊為參考。Np/Ns是變壓器原邊與副邊的匝數(shù)比。


如何實現(xiàn)最佳的DCM反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計?

圖2:DCM反激式轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵電壓和電流開關(guān)波形以及設(shè)計人員須指定的幾個關(guān)鍵參數(shù)。


表1詳細說明了DCM相對于CCM的特性。DCM的一個關(guān)鍵屬性是,無論變壓器的匝數(shù)比如何,具有較低的原邊電感都會降低占空比。它讓您可以限制設(shè)計的最大占空比。如果想要使用特定控制器或保持在特定的導通或關(guān)斷時間限制之內(nèi),這一點可能很重要。較低的電感需要較低的平均能量存儲(盡管具有較高的峰值FET電流),與CCM設(shè)計相比,通常也允許使用更小的變壓器。


DCM 的另一個優(yōu)點是這種設(shè)計消除了標準整流器中的 D1 反向恢復損耗,因為電流在 t2 結(jié)束時為零。反向恢復損耗通常表現(xiàn)為 Q1 中耗散的增加,因此消除它們會降低開關(guān)晶體管上的應(yīng)力。輸出電壓越高,該優(yōu)勢愈加明顯,因為整流器的反向恢復時間也隨著二極管額定電壓的增大而增加。


如何實現(xiàn)最佳的DCM反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計?

表1:DCM 反激式設(shè)計相對于CCM設(shè)計的優(yōu)缺點


開始設(shè)計之前,開發(fā)人員需要了解幾個關(guān)鍵參數(shù)以及基本的電氣規(guī)范。首先要選擇開關(guān)頻率 (fsw)、所需的最大占空比 (Dmax)以及估計的目標效率。然后根據(jù)公式1計算出時間t1:


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接下來,用公式 2 估算變壓器的峰值原邊電流 Ipk。對于公式 2 中的 FET 導通電壓 (Vds_on) 和電流采樣電阻電壓 (VRS),先假設(shè)較小的0.5 V壓降比較適合,稍后可以更新壓降值。


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根據(jù)圖2中A和B面積相等,通過公式3計算所需的變壓器匝數(shù)比Np/Ns:


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其中 x 是t3所需的最小空閑時間(從x = 0.2開始)。


如果想要改變Np/Ns,則調(diào)整 Dmax并再次迭代計算。


接下來,用公式 4 和 5 來計算 Q1 (Vds_max) 和 D1 (VPIV_max) 的最大“平頂”電壓:


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這些組件常常會因變壓器漏電感而產(chǎn)生振鈴,根據(jù)經(jīng)驗,實際值預(yù)計要比通過公式4和5得出的值高10-30%。如果Vds_max高于預(yù)期,減少Dmax可以降低它,但VPIV_max會增加。此時需要確定哪個組件電壓更關(guān)鍵,并在必要時再次迭代計算。


用公式 6 計算 t1_max,其值應(yīng)與公式1接近:


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用公式 7 計算所需的最大原邊電感:


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如果選擇的電感低于公式 7 算出的電感,則根據(jù)需要進行迭代計算,增加x并減少Dmax,直到Np/Ns和Lpri_max 等于所需要的值。


然后,利用公式 8來計算 Dmax:


如何實現(xiàn)最佳的DCM反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計?


并分別利用公式9 和 10 計算最大Ipk及其最大均方根 (RMS) 值:


如何實現(xiàn)最佳的DCM反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計?


根據(jù)所選控制器的電流采樣輸入最小電流限制閾值 Vcs(公式 11),計算允許的最大電流采樣電阻值:


如何實現(xiàn)最佳的DCM反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計?


使用公式 9得到的Ipkmax值和RS來驗證假設(shè)的FET Vds壓降和公式2中的采樣電阻器VRS 是否接近;如果差別較大,則再次迭代。


利用公式 12 和 13以及公式10 的結(jié)果,來計算RS的最大耗散功率和Q1的傳導損耗:


如何實現(xiàn)最佳的DCM反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計?


FET 開關(guān)損耗通常在Vinmax處最高,因此最好利用公式14計算整個VIN范圍內(nèi)的Q1開關(guān)損耗:


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其中Qdrv是FET總柵極電荷,Idrv是預(yù)期的峰值柵極驅(qū)動電流。


公式 15 和 16 用于計算FET非線性Coss電容充電和放電的總功率損耗。公式15中的被積函數(shù)應(yīng)與0 V至實際工作Vds之間的實際FET Coss數(shù)據(jù)表曲線嚴格匹配。Coss損耗通常在高壓應(yīng)用或使用極低RDS(on) FET時最大,其Coss 值也較大。


如何實現(xiàn)最佳的DCM反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計?


通過將公式 13、14和16的結(jié)果相加來估算總的FET 損耗。


公式17表明該設(shè)計中的二極管損耗將大大簡化。請確保選擇額定副邊峰值電流遠大于 IOUT的二極管。


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輸出電容通常選擇公式 18 或 19 中值較大的那一個,這兩個公式根據(jù)紋波電壓和等效串聯(lián)電阻(公式 18)或負載瞬態(tài)響應(yīng)(公式 19)來計算電容:


如何實現(xiàn)最佳的DCM反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計?


其中 ?IOUT 是輸出負載電流的變化,?VOUT 是允許的輸出電壓偏移,而fBW 是估計的轉(zhuǎn)換器帶寬。


用公式 20 計算輸出電容器 RMS 電流:


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用公式 21 和 22 估計輸入電容器的參數(shù):


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公式 23、24 和 25 總結(jié)了三個關(guān)鍵的波形時間間隔及其關(guān)系:


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如果需要額外的副邊繞組,公式 26 可以輕松計算出額外的繞組 Ns2:


如何實現(xiàn)最佳的DCM反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計?


其中 VOUT1 和 Ns1 是穩(wěn)壓輸出電壓。


變壓器原邊RMS 電流與公式 10 中的 FET RMS 電流相同;變壓器副邊RMS 電流如公式 27 所示。變壓器磁芯必須能夠在不飽和的情況下處理 Ipk。當然還要考慮磁芯損耗,但這不在本文討論范圍之內(nèi)。


如何實現(xiàn)最佳的DCM反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計?


從上述步驟中可以看出,DCM 反激式設(shè)計是一個迭代過程。開關(guān)頻率、電感或匝數(shù)比等初始假設(shè)可能會根據(jù)后面的計算結(jié)果(例如功耗)改變。別怕麻煩,根據(jù)需要多次迭代執(zhí)行設(shè)計步驟,以實現(xiàn)您需要的設(shè)計參數(shù)。只要付出努力,就可以實現(xiàn)最佳的DCM反激設(shè)計,提供低功耗、緊湊和低成本的解決方案,滿足電源轉(zhuǎn)換器的需求。

(參考原文:Designing a DCM flyback converter)

(來源: 電子工程專輯,作者:John Betten )


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