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PA-Switch系列集成控制器在小功率DC-DC变换器中的应用(二)

作者:时间:2012-03-19来源:网络收藏

选取D的第一个标准是峰值电流承受能力。根据变压器的匝比以及输出电感中的峰值电流,可以估算出变压器初级绕组中峰值电流的大小,此时可暂不考虑变压器磁化电流的影响。考虑裕量,所选D的电流额定值应比变压器初级绕组峰值电流估算值高10%。

选取D的第二个标准是功耗大小。如果不采用同步整流,DPA-Switch的功耗将占到系统总功耗的25%左右。如果所选的DPA-Switch功耗过大,可以考虑选用高一等级的DPA-Switch。

当输入电压较低时,阻性压降在功耗中起主要作用,由于大的DPA-Switch的RDS(ON)较低,因此其损耗也低,系统效率得以提高。但是,当输入电压较高时,由于DPA-Switch中RMS电流下降,而漏极电容上的损耗增加,此时RDS(ON)的降低对系统效率的影响很小。

5.3.6 箝位电路

为了防止DPA-Switch的漏极过压,需要加入箝位电路。图20中采用的箝位电路比较简单,即在DPA-Switch的漏极和源极之间加入了一只150V齐纳二极管,同时在变压器初级侧还跨接有一只箝位电容。在连续工作状态下,齐纳二极管不起作用,但在启动、负载瞬变以及过载过程中,该二极管将对DPA-Switch的漏极提供箝位保护。

正常连续工作时,跨接在初级绕组上的箝位电容通过吸收漏感上的能量使漏-源电压低于齐纳二极管的击穿电压。箝位电容的大小由漏感和峰值电流的大小决定。该电容的取值应能保证漏感中的能量在下一个工作周期内大部分得到恢复。电容容量过小将导致齐纳二极管导通,而齐纳二极管上的功耗将影响系统的效率。电容容量过大将增大DPA-Switch的开通损耗,同样将导致系统效率的下降,而且还会对变压器的复位产生影响。根据经验,如果在10W-40W,则该电容的取值范围应在10pF至100pF之间。

5.3.7 变压器复位电路

为了防止变压器饱和,在每个开关周期内,变压器磁化电感中的磁通必须复位以维持伏秒积的平衡。变压器中储存的寄生能量以磁化电流的形式表现出来。变压器饱和相当于短路,必须依靠外部电路将磁化电感中的能量在变压器饱和之前转移走。变压器复位电路要求DPA-Switch的漏压高于输入电压。设计过程中,必须保证变压器复位电路不会加重DPA-Switch漏极电压的应力。

图23所示为实际电路中的变压器复位电路,在每个开关周期结束的时候,变压器中的磁通将被复位。该电路的核心元件是跨接在输出整流二极管上的串联RC网络。当DPA-Switch关断时,磁化电感中的电流通过变压器次级对电容CS进行充电。一方面,CS必须足够小以保证在磁化电流在最短的时间内归零。而另一方面,CS又必须足够大以保证漏-源电压在正常工作状态下低于齐纳二极管的箝位电压。RS的大小一般在1-5欧姆之间。

20.gif

5.3.8 输出电容

输出电感中的纹波电流在输出电容上产生电压纹波。纹波电压一部分由电容内部的电流造成,另一部分则由电容的串联等效电阻产生。通常大部分的纹波电压都源自串联等效电阻,因此输出电容的容量要尽可能的大,而其串联等效电阻则应尽可能的低。与电感中的纹波电流类似,电容串联等效电阻上的纹波电压也是三角波。

在DC-DC中,输出电容一般都选用固态钽电容,这是由于在变换器工作频率下,固态钽电容的串联等效电阻值和阻抗都较低。在反馈环路设计中,也需要考虑串联等效电阻的问题,因此串联等效电阻值的大小一定要合适。另外,需要注意的是,超出特定的温度范围后,串联等效电阻值将发生显著变化,进而输出纹波和反馈环路的稳定性都会受到影响,因此需要对变换器样机的极限温度参数进行测试,以保证串联等效电阻值保持相对稳定。

输出电容的额定电压值至少应比最大工作电压高出25%,降额因子为80%。例如,对于一个输出电压为5V的变换器,输出电容的额定电压值可取为6.3V或10V。电容的额定电压值越低,其体积越小,但其故障率会高一些。

5.3.9 反馈环路

反馈环路有三个重要的参数:截止频率、相位裕量和增益裕量。截止频率主要用来衡量系统的带宽。相位裕量在任何时候都不能低于45度,低于该值,系统将变得不稳定。另外,相位裕量还与系统的动态特性有关。相位裕量过低,系统的动态特性将变差。增益裕量的大小在6dB-10dB之间比较合适。

高频正激DC-DC变换器的频带宽度较大,不宜稳定,设计时大多采用逐周电流模式控制。DPA-Switch仍采用传统的电压模式控制,无需斜坡补偿,在占空比超过50%时仍能正常工作并保持稳定。如果变换器中含有光耦,则控制环路的截止频率应限制在10KHz。图24所示为采用TL431控制的反馈环路。

21.gif

由输出电感和输出电容构成输出滤波器,其谐振频率的选取不应对反馈环路的设计造成影响,推荐取值范围在4KHz-6KHz之间。

与DPA-Switch的Control引脚相连的R4和C6一起构成了反馈环路的补偿网络。C6的取值范围应在47μF-100μF之间。

使用TL431的目的是在低频条件下获取较高的环路增益,而在高频条件下,光耦能够提供足够的增益。



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