電源設(shè)計(jì)小貼士 設(shè)計(jì)CCM反激式轉(zhuǎn)換器

連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)反激式轉(zhuǎn)換器通常用于中等功耗的隔離型應(yīng)用。與不連續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM) 運(yùn)行相比，CCM運(yùn)行的特點(diǎn)是具有更低的峰值開(kāi)關(guān)電流、更低的輸入和輸出電容、更低的EMI以及更窄的工作占空比范圍。由于具有這些優(yōu)點(diǎn)并且成本低廉，它們已廣泛應(yīng)用于商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域。本文將提供反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)中，53Vdc 至 12V/5A CCM 反激式轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)設(shè)計(jì)公式。

圖1展示了工作頻率為250kHz的60W反激式轉(zhuǎn)換器的詳細(xì)原理圖。所選占空比在最低輸入電壓(51V)和最大負(fù)載時(shí)最大，為 50%。雖然也可以在超過(guò)50%占空比的情況下運(yùn)行，但在本設(shè)計(jì)中無(wú)此必要。由于57V的高壓線路輸入電壓相對(duì)較低，因此在 CCM 運(yùn)行時(shí)，占空比只會(huì)降低幾個(gè)百分點(diǎn)。但如果負(fù)載大幅降低，轉(zhuǎn)換器進(jìn)DCM運(yùn)行模式，占空比就會(huì)顯著降低。

圖1 60W CCM反激式轉(zhuǎn)換器原理圖

設(shè)計(jì)規(guī)格

為防止磁芯飽和，繞組開(kāi)/關(guān)時(shí)間的伏秒積必須保持平衡。這等于方程式1：

方程式1

將dmax設(shè)置為0.5并計(jì)算Nps12（Npri: N12V）和Nps14（Npri: N14V）的匝數(shù)比，如方程式2和方程式3所示：

方程式2

方程式3

變壓器匝數(shù)比現(xiàn)已設(shè)定（方程式4和方程式5），因此可計(jì)算出工作占空比和FET電壓。

方程式4

方程式5

V_dsmax表示FET Q2漏極上無(wú)振鈴的“平頂”電壓。振鈴?fù)ǔＥc變壓器漏電感、寄生電容（T1、Q1、D1）和開(kāi)關(guān)速度有關(guān)。選擇200V FET時(shí)，F(xiàn)ET 電壓會(huì)再降低25%至50%。變壓器繞組之間必須實(shí)現(xiàn)良好耦合，如有可能，最大漏電感必須為1%或更低，以更大限度地減少振鈴。

當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí)，二極管D1的反向電壓應(yīng)力等于方程式6：

方程式6

由于漏電感、二極管電容和反向恢復(fù)特性的影響，當(dāng)次級(jí)繞組擺幅為負(fù)時(shí)，振鈴現(xiàn)象很常見(jiàn)。具體請(qǐng)參閱方程式7：

方程式7

我們選擇了額定值為30A/45V的D2PAK封裝，以便在10A電流下將正向壓降減至0.33V。功率耗散等于方程式8：

方程式8

建議使用散熱器或氣流進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒峁芾?。初?jí)電感的計(jì)算公式為方程式 9：

方程式9

P_OUTMIN是轉(zhuǎn)換器進(jìn)入DCM的位置，通常為P_OUTMAX的20%至30%。

初級(jí)峰值電流出現(xiàn)在V_INMIN時(shí)，等于：

方程式10

這對(duì)于確定最大電流檢測(cè)電阻 (R18) 值而言是必要的，能夠防止控制器的初級(jí)過(guò)流 (OC) 保護(hù)電路跳閘。對(duì)于 UCC3809，R18 兩端的電壓不能超過(guò) 0.9V，以保證全輸出功率。在本例中，我們選擇 0.18Ω。也可以使用更小的電阻，以減少功率損耗。但過(guò)小的電阻會(huì)增加噪聲靈敏度，并使 OC 閾值處于高電平，有可能導(dǎo)致變壓器飽和，更糟糕的是，甚至?xí)?dǎo)致 OC 故障期間出現(xiàn)與應(yīng)力相關(guān)的電路故障。電流檢測(cè)電阻耗散的功率為方程式 11：

方程式11

根據(jù)方程式12和方程式13估算FET導(dǎo)通損耗和關(guān)斷開(kāi)關(guān)損耗：

方程式12

方程式13

與 Coss 相關(guān)的損耗計(jì)算有些模糊，因?yàn)樵撾娙菥哂邢喈?dāng)高的非線性度，會(huì)隨著 Vds 的增加而降低，在本設(shè)計(jì)中估計(jì)為 0.2W。

電容器要求通常包括計(jì)算最大均方根電流、獲得預(yù)期紋波電壓所需的最小電容以及瞬態(tài)保持。輸出電容C_outmin和 I_outrms 的計(jì)算公式為方程式 14 和方程式 15：

方程式14

方程式15

可以僅使用陶瓷電容器，但在直流偏置效應(yīng)后需要 7 個(gè)陶瓷電容器才能實(shí)現(xiàn) 83μF。因此，我們只選擇了足以處理均方根電流的電容器，然后使用了電感器—電容器濾波器來(lái)降低輸出紋波電壓并改善負(fù)載瞬態(tài)。如果存在較大的負(fù)載瞬態(tài)，可能需要額外的輸出電容來(lái)減少壓降。

輸入電容等于方程式 16：

方程式16

同樣，您必須考慮會(huì)損耗電容的直流偏置效應(yīng)。如方程式17所示，均方根電流約為：

方程式17

圖2展示了原型轉(zhuǎn)換器的效率，而圖3展示了反激式評(píng)估板。

圖2 轉(zhuǎn)換器的效率和損耗決定了封裝的選擇和散熱要求

圖3 60W反激式評(píng)估硬件尺寸為100mmx35mm

結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)示例介紹了功能性 CCM 反激式設(shè)計(jì)的基本元件計(jì)算。然而，初始估算通常需要反復(fù)計(jì)算，以便進(jìn)行微調(diào)。不過(guò)，為了獲得運(yùn)行良好且優(yōu)化的反激式轉(zhuǎn)換器，在變壓器設(shè)計(jì)和控制環(huán)路穩(wěn)定等方面，往往還需要做更多的細(xì)節(jié)工作。

德州儀器“電源設(shè)計(jì)小貼士”系列技術(shù)文章由德州儀器專家創(chuàng)建并撰寫(xiě)，旨在深入剖析當(dāng)前電源設(shè)計(jì)普遍面臨的難題，并提供一系列切實(shí)可行的解決方案和創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路，幫助設(shè)計(jì)人員更好應(yīng)對(duì)電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，助力設(shè)計(jì)更加高效、可靠。