谐振反激式开关电源

1万 · 2014-6-25 23:55

0 引言

准谐振转换是十分成熟的技术，广泛用于消费产品的电源设计中。新型的绿色电源系列控制器实现低至150mW的典型超低待机功耗。本文将阐述准谐振反激式转换器是如何提高电源效率以及如何用UCC28600设计准谐振电源。

1 常规的硬开关反激电路

图1所示为常规的硬开关反激式转换器电路。这种不连续模式反激式转换器(DCM)一个工作周期分为三个工作区间：(t0~t1)为变压器向负载提供能量阶段，此时输出二极管导通，变压器初级的电流通过NpNs的耦合流向输出负载，逐渐减小。

MOSFET电压由三部分叠加而成：输入直流电压VDC、输出反射电压VFB、漏感电压VLK。到t1时刻，输出二极管电流减小到0，此时变压器的初级电感和和寄生电容构成一个弱阻尼的谐振电路，周期为2πLC。在停滞区间(t1~t2)，寄生电容上的电压会随振荡而变化，但始终具有相当大的数值。当下一个周期t2节点，MOSFET导通时间开始时，寄生电容(COSS和CW)上电荷会通过MOSFET放电，产生很大的电流尖峰。由于这个电流出现时MOSFET存在一个很大的电压，该电流尖峰因此会做成开关损耗。此外，电流尖峰含有大量的谐波含量，从而产生EMI。

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2 准谐振反激式设计的实现

利用检测电路来有效地“感测”MOSFET漏源电压(VDS)的第一个最小值或谷值，并仅在这时启动MOS-FET导通时间，由于寄生电容被充电到最低电压，导通的电流尖峰将会最小化。这情况常被称为谷值开关(Valley Switching)或准谐振开关。这种电源是由输入电压负载条件决定的可变频率系统。换言之，调节是通过改变电源的工作频率来进行，不管当时负载或输入电压是多少，MOSFET始终保持在谷底的时候导通。这类型的工作介于连续(CCM)和不连续条件模式(DCM)之间。因此，以这种模式工作的转换器被称作在临界电流模式(CRM)下工作。临界模式下MOSFET漏源电压如图2所示。

1万 · 2014-6-25 23:56

在反激式电源设计中采用准谐振开关方案有着许多优点：

(1)降低导通损耗

由于MOSFET导通具有最小的漏源电压，故可以减小导通电流尖峰。减轻了MOSFET的压力，降低器件的温度。

(2)降低输出二极管反向恢复损耗

由于二次侧的整流管零电流关断，反向恢复损耗降低，从而提高电源整体效率。

(3)减少EMI

导通电流尖峰的减小以及在准谐振过程中存在频率抖动，将会减小EMI噪声，这就减少EMI滤波器的使用数量，从而降低电源成本。

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3 基于UCC28600控制器的钨灯电源的设计

3.1 UCC28600控制器的主要特性

UCC28600控制器的主要特性有先进的绿色模式控制方式；低EMI及低损耗(谷底开关)的准谐振控制方式；空载损耗小于150mW(低待机电流)；低启动电流(最大25μA)；可编程过压保护(输入电压和输出电压)；内置过温保护，温度回复后可自动重启；限流保护：逐周期限功率，过电流打嗝式重启；可编程软启动；集成绿色状态脚(PFC使能端)。

3.2 UCC28600工作原理

UCC28600内部集成了UVLO比较器，高频振荡器，准谐振控制器和软起动控制器，待机模式跳脉冲比较器，输入和输出过电压保护。其内部结构图如图3所示。

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(1)UVLO比较器

UCC28600的VDD电压在13V起动，在低于8V时关闭，有5V的滞差电压，可以提高UCC28600工作的稳定性。

(2)内部振荡器

UCC28600内部集成了一个40~130kHz的振荡器。

(3)准谐振控制器和软起动控制器

UCC28600采用准谐振的开关变换器以提高转换效率，利用变压器的励磁磁通，在开关关断期间，检测变压器绕组的输出电压，如果电压偏低及处于振荡的波谷时，可以确认该时刻变压器励磁磁通耗尽，可以开启下一周期。该准谐振模式可分为临界导通模式(CRM)和不连续导通模式(DCM)以及频率调制模式(FFM)。

(4)待机模式和跳脉冲比较器

当功率继续减小，UCC28600进入待机模式；频率调制模式(FFM)频率下降到40kHz，不再减小；当FB小于0.6V时，开关脉冲输出关断，当FB大于0.7V时，开关脉冲正常输出，从而得到跳脉冲模式的待机工作状态。

(5)输入和输出过电压保护

OVP引脚为过电压(线电压和负载电压)输入脚以及谐振开通的响应脚，此脚通过变压器初级偏置线圈来侦测输入过压，负载过压及谐振条件，其过压点可通过与此脚相连的电阻来灵活调节。

3.3 钨灯电源的技术指标

输入电压：95~260VAC 5060Hz；输出电压：5V；输出电流：4.3A；可遥控关闭电源输出。

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3.4 电源设计过程

钨灯电源电路图如图4所示，交流电源从左上角输入，经输入电源滤波器、整流桥、高压电容，转为约130~360V的直流高压。N14、V30组成高压侧主电路，将直流高压斩波为脉冲电压，通过变压器耦合，经V12整流输出，输出电容滤波为直流电压。

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3.4.1 启动电路

由于UCC28600的启动电流非常小，典型值为12μA，可以大大降低启动电阻的功耗，因而启动电阻由三个300kΩ的贴片电阻串联而成。但由于VDD引脚需要一个足够的储能电容防止在工作时出现打嗝现象，带来的一个问题是VDD启动时电压上升过慢，电源启动时间过长。解决方法是VDD引脚采用小电容，反供绕组采用大电容，两者之间用V34(1N4148)隔离。

3.4.2 遥控电路

遥控电路用光耦TLP181安全隔离，当遥控信号输入CTL端加电流信号时，光耦输出端导通，通过V33将UCC28600的SS引脚拉低，关闭MOSFET的驱动信号；通过R32将VDD电压拉低，低于UCC28600的启动电压，避免芯片一直处于重启过程。

3.4.3 反馈电路

采用TL431采样输出端电压，通过光耦TLP181隔离后反馈到芯片的输入端。TL431的基准电压为2.495V，通过R84、R85的分压，将输出电压设定在11.5V。由于负载为固定钨灯电源，所以不用考虑电源的瞬态相应，故TL431的补偿电容采用简单的Ⅰ类补偿，电路简单，稳定可靠。

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3.4.4 变压器设计

设在最大负载时，UCC28600工作在准谐振模式，其最大占空比发生在最低输入电压时，在固定输入电压和输入功率的情况下：

初级绕组采用2×0.35漆包线，次级采用125μm铜箔，采用三明治绕法，磁芯中心柱开气隙，使ALG为275nHT2。

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3.5 测试数据

3.5.1 电源转换效率

电源在不同输入输出条件下效率如图5所示。

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3.5.2 不同状态下的开关管波形

电源在不同状态下的开关管波形如图6所示。

由图6可以看出，当输出负载很小时，电源是工作于跳脉冲模式，这样可以降低开关损耗，提高轻载电源效率；随着负载加大，电源开始进入频率调制工作模式。在满载且输入电压较高时，电源工作于频率较高的准谐振模式；如果输入电压较低时，工作模式不变，但开关频率降低，维持开关管在波形谷底导通。

1万 · 2014-6-25 23:58

4 结语

本文提出的基于UCC28600控制器的准谐振反激式开关电源的设计方案，该方案利用准谐振技术降低了MOSFET的开关损耗。实践证明，基于UCC28600的准谐振反激式开关电源的设计具有输入电压范围宽、输出电压精度高、高转换效率、低待机功耗等特点。本电源应用于钨灯电源中，最高效率达到86%，收到了良好效果。

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