安森美案例：双开关正激转换器及其应用设计

1、安森美案例：双开关正激转换器及其应用设计单开关(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，及非脉冲输出减小输出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()开关的漏变幻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。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纳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，经受几个周期后会使磁芯饱和，损坏开关

2、器件。相对而言，假如有磁芯复位，电流就不会在每个开关周期增大，电压会基于励磁(lmag)反相并使磁芯复位。图1以单开关正激转换器为例，简要对照了无磁芯复位与有磁芯复位的及励磁电感电流波形。有3种频繁的标准磁芯复位技术，分离是三次绕组，、电容、(rcd)钳位和双开关正激。三次绕组磁芯复位技术的暗示图参见图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，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，但因为复位电路中的钳位电阻消

3、耗能量，影响了电源转换效率。图1：正激转换器不带磁芯复位与带磁芯复位之对照。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。图2：双开关正激转换器电路原理图。固然

4、，采纳这种技术后，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，不需要特别的复位电路就可以保证牢靠的变压器磁芯复位，牢靠性高，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、沟通适配器、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具有可调整开关频率，增加设计灵便性；还带有闩锁过流庇护功能，能够承受临时的过载。其它特性还包括可调整软启动时长、内部斜坡补偿、自复原输入

5、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)，降低成本并提升牢靠性。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 s内从输出电流=50%到满载(5 a到10 a)。ncp12

6、52应用设计：功率元件计算1) 变压器匝数比、占空比及励磁电感首先计算变压器在延续导电模式(ccm)下的匝数比n。按照等式(1)可以推导出等式(2)：(1)(2)其中，vout是输出电压，是目标能效，vbulk min是最小输入电压(即350 vdc)，dcmax是ncp1252的最大占空比，n是变压器匝数比。相应我们也可以验证出高输入线路电压(410 vdc)时最小占空比，见等式(3)：(3)为了恰当地磁芯复位，需要微小的励磁电流来对绕组电压反相。按照阅历法则，励磁电流为初次峰值电流(ip_pk)的10%。其中，ip_pk取值0.94，这数值的计算过程参见后文。变压器励磁电感的计算见等式(4

7、)：(4)2) lc输出首先挑选交越频率(fc)。因开关噪声缘故，fc大于10 khz时要求无噪声布线，难于设计。故不推举在较高的频率交越，挺直选定fc为10 khz。假如我们假定由fc、输出电容(cout)及最大阶跃负载电流(iout)确定出iout 时的最大压降(vout)为250 mv，我们就能写出下述等式：(5)(6)我们挑选的是2颗松下fm系列的1,000 f16 v电容。从电容规范中解析出：ic,rms=5.36 a ta=+105 resr,low = 8.5 mw ta = +20 resr,high = 28.5 mw ta = -10 接下来，以diout = 5 a 来计

8、算dvout ，见等式(7)：(7)这里有一个阅历法则，就是挑选等式(6)计算出来的值一半的等效串联电阻(esr)电容：resr,max = 22 mw 0 。这个规章考虑到了电容工艺变幻，以及留出一些电源在极低环境温度条件下启动工作时的裕量。最大峰值到峰值电流(il)的计算见等式(8)：(8)要猎取输出电感值，我们能够写出关闭时光期间的降压纹波电流等式：(9)对等式(9)举行转换，就可以得到等式(10)，终于我们挑选27 h的标准值。(10)输出电容的均方根电流(icout,rms)计算见等式(11)：(11)其中，额定电感时光常数()的计算见等式(12)：(12)3) 变压器电流经过一系列

9、计算(具体计算过程参见参考资料3)，可以得到：次级峰值电流(il_pk)为11.13 a，次级谷底电流(il_valley)为8.86 a，初级峰值电流(ip_pk)为0.95 a，初级谷底电流(ip_valley)为0.75 a，初级均方根电流(ip,rms)为0.63 a。4) mosfet因为ncp1252是双开关正激转换器，故作为开关的功率mosfet的最大电压限制为输入电压。通常漏极至源极击穿电压(bvdss)施加了等于15%的降额因数，假如我们挑选500 v的功率mosfet，降额后的最大电压应当是：500 v x 0.85 = 425 v。我们挑选的功率mosfet是采纳to22

10、0封装的fdp16n50，其bvdss为500 v，导通阻抗(rds(on)为0.434 (tj=110)，总门电荷(qg)为45 nc，门极至漏极电荷(qgd)为14 nc。mosfet的导电损耗、开关导通损耗计算见等式(13)到(14)：(13)(14)其中，交迭时光(t)由下列等式计算得出：(15)mosfet的开关关闭损耗见等式(16)：(16)其中，交迭时光(t)由下列等式计算得出：(17)因此，mosfet的总损耗为：plosses=pcond+psw,on+psw,off=173+149+324=646 mw (18)5) 二极管次极二极管d1和d2维持相同的峰值反相电压(piv

11、)，结合二极管降额因数(kd)为40%，可以计算出piv，见等式(19)：(19)因为piv100 v，故能够挑选30 a、60 v、to-220封装的肖特基二极管mbrb30h60ct。二极管导通时光期间的导电损耗为：pcond,forward=ioutvfdcmax=10x0.5x0.45=2.25 w (20)关闭时光期间的导电损耗为：pcond,freewheel=ioutvf(1-dcmin)=10x0.5x(1-0.39) =3.05 w (21)ncp1252应用设计：ncp1252元件计算1) 用于挑选开关频率的电阻rt采纳一颗容易电阻，即可在50至500 khz范围之间挑选开

12、关频率(fsw)。假定开关频率为125 khz，那么我们就可以得到：(22)其中，vrt是rt引脚上展现的内部电压参考(2.2 v)。2) 感测电阻ncp1252的最大峰值电流感测电压达1 v。感测电阻(rsense)以初级峰值电流的20%余量来计算，其中10%为励磁电流，10%为总公差：(23)(24)3) 斜坡补偿斜坡补偿旨在防止频率为开关频率一半时浮现次斜坡振荡，这时转换器工作在ccm，占空比临近或高于50%。因为是正激拓扑结构，重要的是考虑由励磁电厂所致的自然补偿。按照所要求的斜坡补偿(通常为50%至100%)，仅能够外部增强斜坡补偿与自然补偿之间的差值。目标斜坡补偿等级为100%。相

13、关计算等式如下：内部斜坡：(25)初级自然斜坡：(26)次级向下斜坡：(27)自然斜坡补偿：(28)因为自然斜坡补偿低于100%的目标斜坡补偿，我们需要计算约33%的补偿：(29)(30)因为rcompccs网络滤波需要约220 ns的时光常数，故：(31)4) 输入欠压电阻输入欠压(bo)引脚电压低于vbo参考时衔接ibo电流源，从而产生bo磁滞。(32)(33)ncp1252演示板及性能概览ncp1252演示板的具体电路图参见参考资料2,其顶视图和底视图则见图3。图3：ncp1252演示板的顶视图及底视图。在室温及额定输入电压(390 vdc)条件下，ncp1252演示板不同负载等级时的能效4所示。从今图可以看出，负载高于40%最大负载时，工作能效高于90%。这演示板还能藉在转换器次级端同步整流，进一步提升能效达几个百分点。图4：ncp1252演示板在室温及额定输入电压(390 vdc)条件下的能效图。如前所述，ncp1252提供软启动功能，其中一个目标应用就是替代uc38xx。ncp1252有一个专用引脚，支持调整软启动持续时光及控制启动期间的峰值。另外，ncp1252的待机能耗性能也很突出。这器件能藉将输入欠压(bo)引脚接地来关闭，而关闭时vcc输入端汲入的电流小于100 a。总结：本文介绍了正激转换器