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6W隔离反激式AC/DC电源设计

2022-06-09

冯欣宇,黄阿娟

(中国电子科技集团公司第十六研究所安徽万瑞冷电科技有限公司,安徽合肥230088)

摘要:介绍了基于UCC28910的5 V/1.2 A隔离反激式开关电源。电路结构简单,所需外部元件较少,有效减少了电路板占用面积。电源可实现AC 85~265 V宽电压输入,在无需光耦合器的情况下实现恒定电压与恒定电流输出。具有700 V高压启动和小于30 mW待机功耗的特点。采用DCM模式减少开关损耗,符合Energy StarEPS 2.0标准。

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关键词 :反激式开关电源;UCC28910;AC/DC电源;高压启动

中图分类号:TN86?34 文献标识码:A 文章编号:1004?373X(2015)16?0152?04

收稿日期:2015?03?03

0 引言

目前空间技术、计算机、通信、雷达、电视及家用电器中的电源逐渐被开关电源取代。传统的串联稳压器,调整管总是工作于放大区,流过的电流是连续的。缺点是承受过载和短路的能力差、效率低,一般只有35%~60%。开关电源的调整管工作在开关状态,功率损耗小,效率可高达70%~95%。此外开关频率工作在几十kHz,滤波电感、电容可用较小数值的元件,允许的环境温度也可以大大提高[1]。常见到离线式开关变换器(off?lineSwitching Converter)是AC?DC 变换,也常称开关整流器;它不单是整流的意义,而且整流后又作了DC?DC变换。离线并不是变换器与市电线路无关的意思,只是变换器中因有高频变压器隔离,故称离线[2]。UCC28910专门用于隔离反激式电源,在无需光耦合器的情况下提供恒压或恒流输出。此器件组合有一个700 V功率场效应晶体管(FET)和控制器,控制器处理来自辅助反激式绕组以及功率FET 的运行信息,以提供精准的输出电压和电流控制。非常适合用于手机、平板电脑和照相机的交流和直流适配器、充电器、电能计量、电视待机开关模式电源、服务器、大型家电、LED驱动器等。

1 电路设计

本设计的电路原理图如图1 所示。采用原边控制方式,即变压器能量转换到副边时辅助绕组测量输出电压。UCC28910内置了700 V的MOSFET,很大程度上简化了电路设计。VS管脚的功能有3个:

(1)为电压控制回路提供输出电压的信息。输出电压反馈值采样是在变压器次级电流退磁时完成;

(2)提供定时信息来完成谷底开关和变压器次级电流占空比;

(3)采样大容量电容(Bulk Capacitor)输入电压以提供欠压关断。

其中功能(1),(2)是在MOSFET 关断时进行的,功能(3)是在MOSFET导通辅助绕组为负电压时完成的。IPK 管脚外接电阻可以设定功率FET 峰值电流的最大值。DRAIN 管脚连接到内部功率FET 的漏极,同时提供高压电流源的启动电流。设计中使用整流桥DB106S(600 V/1 A)完成对交流输入的整流。C1,C2 与L1,L2 构成输入EMI滤波器。R1,R2 用来抑制输入滤波器振荡,同时防止ESD脉冲在L1与L2上形成大电压。R5,C3,D2,D3构成原边电位钳,防止在场效应管关断时UCC28910的漏极电压超过FET 的击穿电压;同时起到缓解UCC28910关断电压造成的EMI电流。电容C3的值不能取太高,充电时间要短。R5的值也不宜取太大,以免电阻上的额外压降导致过高的漏极电压。C4为去耦电容,应选择低ESR/ESL类型的电容器,尽量靠近芯片引脚放置,并直接返回到芯片的参考地平面。控制器的偏置电压由变压器辅助绕组、D4,R7,C5来提供。R9用来设定启动电压阀值。R8用来设定输出电压值。R3,R4共同来设置输出最大电流值。变压器次级线圈侧的C6,R10 用来降低D5管的开关噪声。R12用于调整空载输出电压。

UCC28910设置有丰富的保护功能,为整个设备的安全运行提供保障。

(1)当实际输出电压为标称输出电压的115%时会产生输出过压保护,器件停止工作;

(2)控制器会检测连续的3个开关周期,如果符合输入电压过低的条件将会触发保护;

(3) 内部过温保护阀值为150 ℃并有50 ℃的迟滞。过温保护后器件温度必须降到100 ℃左右时才能再继续工作;

(4)漏极过电流也会触发保护;

(5)根据漏极峰值电流的大小功率FET 的最大导通时间也设置有保护;

(6)如果VDD 内部钳位器中的电流超过6 mA,器件也会自动保护停止工作。

UCC28910最大开关频率的选择应该在效率要求与变压器尺寸之间权衡。一般来讲降低开关频率会提高效率,提高开关频率可以减小变压器尺寸。器件的极限开关频率为115 kHz,所以实际使用的开关频率最大值需满足以下条件:

式中:KAM 为初级最大最小峰值电流比;KCC 为恒电流模式下次级二极管导通占空比;fSW(max)为最大开关频率,它们的典型值可以在手册中查到。经过试验tDMAG(min)为1.2 μs左右时较合适。变压器最大初次级匝数比是由满载下最大开关频率、最小输入电容电压(Bulk Voltage)和预估的DCM 准谐振时间来确定的。最大可用占空比和次级传导时间的确定是建立在目标开关频率与DCM 谐振时间上的。对于DCM谐振时间可假设tR=1 500 kHz 。由于转换模式操作的限制,次级电流传导至VDS(MOSFET 漏极?源极)电压的第1次估值所需要的时间要求是DCM谐振时间的一半或者是1 μs(假设500 kHz 的谐振频率)。MOSFET的最大占空比可由下式计算得到:

DMAX得到后就可计算出变压器最大初次级匝数比:

式中:VBULK(min)为全功率时C1,C2上的最小电压;VOCV为恒电压模式下的输出电压;VF为次级整流电流接近0时D5的正向压降。对于5 V的USB充电器应用,NPS可取13~17作为典型值。

变压器在满载条件下的输入功率是由输出功率、输出二极管上的功耗、UCC28910本身的功耗三者之和除以变压器的效率来计算的,如下式:

式中IOCC为在恒电流操作模式时的变压器输出电流目标值;VVDD为VDD引脚上的电压;IRUN为器件的最大消耗电流;ηXFMR为变压器初级到次级的功率转换效率,与变压器铜损、磁芯损耗、漏电感中的能量损耗有关。

当固定了最大开关频率和初级侧最大峰值电流后,初级侧的电感值可以通过下式来计算得到:

式中:LP_Tol 为变压器初级电感的公差,典型值为±10%~±15%;ID_PK(max)为变压器初级侧最大电流峰值。表1为设计中用到的元器件相关信息汇总。

2 干扰性分析

UCC28910使用谷底开关以减少MOSFET的开关损耗,同时也减小了FET的开启电流尖峰。器件在几乎所有负载条件下采用谷底开关的工作方式,直到VDS 振铃消失。在VDS最低值时进行开关操作可减小MOSFET开启时的dV/dt,有利于减小器件的EMI。在负载非常小或没有负载的情况下,VDS 振铃非常低而且很难被检测到,此时使用谷底开关的意义不大,所以此时谷底开关自动被禁止。开关电源由于较高的dV/dt 和dI/dt、电路中存在的寄生电感和电容使开关电源的电磁干扰噪声较难消除[3]。

频率抖动(Jitter Frequency)技术不是从减少分布参数这种极难的工艺角度解决电磁兼容问题,也不是采用滤波这样的使干扰旁路的方式,而是从EMI测试仪器测试的原理出发,使集中的频谱能量分散化的角度来实现“频谱搬移”,满足EMC容限要求,以解决EMC问题的[4]。

抖频即指开关电源的工作频率并非固定不变,而是周期性地变化。通过减少某频率点上信号的幅值,从而达到了抑制EMI的效果。UCC28910采用了抖频技术,很好地实现了电磁干扰(EMI)兼容性。同时内部FET开关接通和关闭期间,DRAIN(漏)电压的受控斜坡都有助于减少EMI滤波器的成本。使用其开发的产品也较容易达到相关电磁兼容性标准。

3 性能测试

UCC28910 使用DCM(电感电流不连续)工作模式有如下主要优点[5]:

(1)开关管的导通损耗几乎是零;

(2)输入及负载响应能力较好;

(3)反馈环容易稳定;

(4)输出二极管的选择比较容易,因为二极管的恢复时间不是关键因素。

DCM 模式配合谷底开关技术可以减小开关损耗,开关频率与初级峰值电流幅值调制相结合,用以保证在满负荷和输入电压范围内的高效转换。

本设计相关参数测量用到的仪器如下:

(1) AC 电源。输入电源必须是一个可调的85~265 V不低于15 W 的隔离交流电源。为达到最高精度的效率计算,需把功率计的电压端直接连接至此电源。

(2)负载。可编程电子负载设定为恒电流模式,并具有DC 10 V时DC 0~1.5 A的灌电流能力。

(3)功率计。功率计应可以测量低输入电流,一般小于100 μA。测量低功率待机模式的输入功率时,功率计还应具有长期平均模式。本设计选用横河WT210电子功率计。

(4)万用表。使用2 块万用表同时测量输出电压与负载电流。

(5)示波器。使用带宽500 MHz的示波器。

(6)线缆。使用AWG24线缆,测试板与AC电源以及与负载的电缆连接长度为50 cm。

图2,图3是本设计的的V?I 特性及效率特性曲线。图4 是在输入AC 265 V 输出5 V/1.2 A 时,20 mV/div,5 μs/div设置下的电源纹波波形。

4 结论

本文基于UCC28910设计的AC?DC电源,具有所用分立元器件少、占用电路板面积小、抗干扰性强的优点。最高可以提供6 W输出功率,非常适合用作交直流电源适配器与小型仪表电源。

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参考文献

[1] 何希才.新型开关电源及其应用[M].北京:人民邮电出版社,1996.

[2] 张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,1998.

[3] 李建婷,熊蕊.抖频?有效降低开关电源EMI噪声容限的技术[J].电源技术应用,2006(5):40?42.

[4] 李意,尹华杰.开关电源电磁干扰抑制的频率控制方法比较[J].电力电子技术,2004,38(4):48?49.

[5] 沈建华.DCM模式反激式功率变压器的设计[J].通信与广播电视,2008(2):42?45.

[6] 杨立杰.多路输出单端反激式开关电源设计[J].现代电子技术,2007(6):23?26.

作者简介:冯欣宇(1982—),男,工程师,硕士。从事低温测量仪器仪表研发工作。

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