反激式转换器设计注意事项

[导读]反激式转换器具有众多优点，包括成本最低的隔离式电源转换器、轻松提供多个输出电压、简单的初级侧控制器以及高达 300W 的功率传输。反激式转换器用于许多离线应用，从电视到手机充电器以及电信和工业应用。它们的基本操作可能看起来令人生畏，而且设计选择很多，特别是对于那些以前没有设计过的人来说。让我们看看 53 VDC 至 12V、5A 连续导通模式 (CCM) 反激式的一些关键设计注意事项。

反激式转换器具有众多优点，包括成本最低的隔离式电源转换器、轻松提供多个输出电压、简单的初级侧控制器以及高达 300W 的功率传输。反激式转换器用于许多离线应用，从电视到手机充电器以及电信和工业应用。它们的基本操作可能看起来令人生畏，而且设计选择很多，特别是对于那些以前没有设计过的人来说。让我们看看 53 VDC 至 12V、5A 连续导通模式 (CCM) 反激式的一些关键设计注意事项。

图 1 显示了工作频率为 250 kHz 的 60W 反激式详细原理图。当 FET Q2 导通时，输入电压施加在变压器的初级绕组上。绕组中的电流现在逐渐增加，从而可以将能量存储在变压器中。由于输出整流器 D1 反向偏置，流向输出的电流被阻止。当 Q2 关闭时，初级电流中断，迫使绕组的电压极性反转。电流现在从次级绕组流出，使绕组电压的极性反转，点电压为正。 D1 导通，向输出负载提供电流并对输出电容器充电。

图1 60W CCM反激式转换器原理图

可以添加额外的变压器绕组，甚至堆叠在其他绕组的顶部，以获得额外的输出。然而，增加的产出越多，其监管就会越差。这是由于绕组和铁芯(耦合)之间的磁通链不完善以及绕组的物理分离造成的漏感。漏电感充当与初级绕组和输出绕组串联的杂散电感。这会产生与绕组串联的意外电压降，从而有效降低输出电压调节精度。一般的经验法则是，使用正确绕制的变压器时，在交叉负载情况下，预计非稳压输出会变化 +/-5% 至 10%。此外，通过峰值检测泄漏引起的电压尖峰，重负载的稳压输出可能会导致空载次级输出电压大幅增加。在这种情况下，预载或软钳位可以帮助限制电压。

CCM 和断续导通模式 (DCM) 操作各有其优点。根据定义，当输出整流器电流在下一个周期开始之前降至 0A 时，就会发生 DCM 操作。 DCM 操作的优点包括较低的初级电感(通常会导致较小的电源变压器)、消除整流器的反向恢复损耗和 FET 导通损耗，以及无右半平面零。然而，与 CCM 相比，这些优点被初级和次级中较高的峰值电流、增加的输入和输出电容、增加的电磁干扰 (EMI) 以及降低的轻载占空比操作所抵消。

图2 CCM和DCM反激式FET及整流器电流比较

图 2说明了在 V IN 最小时 Q2 和 D1 中的电流如何变化，以及 CCM 和 DCM 中负载从最大值减小到约 25%。在 CCM 中，当负载处于最大和最小设计水平(~25%)之间时，固定输入电压的占空比是恒定的。当前的“基准”水平随着负载的减少而降低，直到达到 DCM，此时占空比会降低。在 DCM 中，最大占空比仅出现在最小 V IN 和最大负载时。输入电压增加或负载减少时，占空比会降低。

这可以使占空比在高线路和最小负载下变小，因此请确保您的控制器可以在此最短接通时间内正常运行。 DCM 操作会在整流器电流达到 0A 后引入占空比低于 50% 的死区时间。它的特点是 FET 漏极上有一个正弦电压，并由残余电流、寄生电容和漏电感设置，但通常是良性的。对于此设计，选择 CCM 操作是因为可以通过减少开关和变压器损耗来实现更高的效率。

该设计使用初级参考 14V 偏置绕组在 12V 输出达到调节后为控制器供电，与直接从输入供电相比，减少了损耗。我选择了两级输出滤波器来实现低纹波电压。第一级陶瓷电容器处理 D1 中脉动电流的高 RMS 电流。它们的纹波电压通过滤波器 L1 和 C9/C10 降低，纹波降低约 10 倍，同时 C9/C10 中的 RMS 电流也降低。如果可以接受更高的输出纹波电压，则可以取消 L/C 滤波器，但输出电容器必须能够处理全 RMS 电流。

UCC3809-1或UCC3809-2控制器设计用于直接与 U2 光耦合器连接，以实现隔离应用。在非隔离设计中，可以消除 U2 和 U3 以及直接连接到控制器的电压反馈电阻分压器，例如具有内部误差放大器的UCC3813-x系列。

Q2 和 D1 上的开关电压会在变压器绕组间和组件寄生电容中产生高频共模电流。如果没有 EMI 电容器 C12 提供返回路径，这些电流将流入输入和/或输出，从而增加噪声或可能导致运行不稳定。

Q3/R19/C18/R17 的组合通过将振荡器的电压斜坡求和到 R18 的初级电流检测电压中来提供斜率补偿，该电压用于电流模式控制。斜率补偿消除了次谐波振荡，这种现象的特点是先出现宽占空比脉冲，然后出现窄占空比脉冲。由于该转换器设计为不超过 50% 的运行，因此我添加了斜率补偿以降低开关抖动敏感性。然而，过大的电压斜率可能会将控制环路推向电压模式控制，并可能导致不稳定。最后，光耦合器传输来自次级侧的误差信号以保持输出电压稳定。反馈 (FB) 信号包括电流斜坡、斜率补偿、输出误差信号和 DC 偏移，以降低过流阈值。

图 3 显示了 Q2 和 D1 的电压波形，显示了一些漏感和二极管反向恢复引起的振铃。