用LM3488設(shè)計(jì)回掃開(kāi)關(guān)電源供給器

回掃拓樸結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)多輸出分離開(kāi)關(guān)電源及 48 伏輸進(jìn)電信應(yīng)用方案最常用的拓樸結(jié)構(gòu)。下文先容如何利用高效率的 LM3488 低邊 N 通道電流模式控制器設(shè)計(jì)本錢(qián)低廉的斷續(xù)式回掃開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。
  回掃轉(zhuǎn)換器基本上是一種降壓/升壓轉(zhuǎn)換器。
  單式電感器可以分為兩個(gè)并行連接的電感器,其線圈匝數(shù)為 1:1。分開(kāi)之后,電感器的基本功能不會(huì)改變,而同一核心的兩個(gè)并行線圈相即是一個(gè)線圈。假如兩個(gè)線圈之間的連接中斷,晶體管導(dǎo)電時(shí)電流便流經(jīng) L1 線圈,但當(dāng)二極管導(dǎo)電時(shí)電流便流經(jīng)另一線圈 L2。
  變壓器低級(jí)線圈上的點(diǎn)與次級(jí)線圈上的點(diǎn)恰好處于相反位置,從這個(gè)特征我們可以立即肯定所采用的是回掃拓樸結(jié)構(gòu)。拓樸結(jié)構(gòu)的最大題目是電感器兼變壓器的設(shè)計(jì),由于這個(gè)電感器兼變壓器既負(fù)責(zé)儲(chǔ)存能量,也負(fù)責(zé)執(zhí)行變壓器的功能。它與理論上的典型變壓器不同,電流不會(huì)同時(shí)流進(jìn)兩個(gè)線圈。
  產(chǎn)生磁化作用的低級(jí)線圈與原本的降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的電感器都以同一方式產(chǎn)生電感。當(dāng)晶體管導(dǎo)電時(shí),來(lái)自直流電電源的電力會(huì)儲(chǔ)存在 L1。當(dāng)二極管導(dǎo)電時(shí),電力便會(huì)傳送到輸出電容器及負(fù)載。
  斷續(xù)模式與連續(xù)模式的優(yōu)劣比較
  回掃轉(zhuǎn)換器有兩種不同的操縱模式,即斷續(xù)模式及連續(xù)模式。這兩個(gè)模式都有相同的電路圖。顯示變壓器低級(jí)線圈及次級(jí)線圈的電流波形。
  若輸出電流進(jìn)步至超過(guò)某一水平時(shí),根據(jù)原本設(shè)計(jì)需采用斷續(xù)模式的電路會(huì)改用連續(xù)模式。
  以斷續(xù)模式操縱時(shí),啟動(dòng)期間儲(chǔ)存在低級(jí)線圈的所有電能會(huì)在下一周期開(kāi)始前全部傳送到次級(jí)線圈及負(fù)載。次級(jí)線圈的電流降至"0"而另一周期還未開(kāi)始時(shí)的短短一瞬間也會(huì)出現(xiàn)一段空檔時(shí)間。以連續(xù)模式操縱時(shí),每當(dāng)另一周期開(kāi)始時(shí)都會(huì)有部分電力保存在次級(jí)線圈內(nèi)。
  回掃轉(zhuǎn)換器可以采用任何一種模式操縱,但每一模式各有不同的功能特色。斷續(xù)模式的峰值電流較高,因此可以在開(kāi)關(guān)封閉后輸出較高的尖峰電壓,但其負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)則較快,低級(jí)電感也較低,因此變壓器的外型可以較小。由于輸進(jìn)反向電壓之前的正向電流為"0",因此二極管的反向恢復(fù)時(shí)間并非那么重要。此外,晶體管啟動(dòng)時(shí)其集電極電流為"0",有助減低斷續(xù)模式的電磁干擾噪音。至于連續(xù)模式,固然其峰值電流較低,令輸出的尖峰電壓也較低,但低功率應(yīng)用方案也很少采用這種連續(xù)模式,由于轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換函數(shù)的右半平面為"0",使帶寬不得不大幅壓縮,以穩(wěn)定反饋環(huán)路。
  電壓模式控制與電流模式控制的比較
  電壓模式控制電路只采用一個(gè)反饋環(huán)路。采用該模式的脈沖寬度調(diào)制電路。圖中的振蕩器負(fù)責(zé)利用外置電容器的固定電流產(chǎn)生固定的鋸齒形三角波形 Vst。誤差放大器則負(fù)責(zé)比較輸出電壓的反饋與參考電壓,并根據(jù)比較結(jié)果產(chǎn)生誤差電壓 Ve。電壓比較器則負(fù)責(zé)比較 Ve 與 Vst。若 Vst 比誤差電壓 Ve 高,脈沖寬度調(diào)制輸出也會(huì)較高。
  電壓模式控制功能不能控制輸出電流,因此負(fù)載瞬態(tài)必須通過(guò)輸出電壓的轉(zhuǎn)變感測(cè)出來(lái),并利用反饋環(huán)路加以校正。電流模式控制功能的優(yōu)點(diǎn)是可以控制同一電路的輸出電流及輸出電壓。只要改變功率晶體管的占空比,便可提供線路及電流瞬態(tài)響應(yīng)。輸出電壓誤差 Ve 及鋸齒形波形 Vst 都可決定占空比的大小,而鋸齒形波形 Vst 則由外置傳感電流電阻器輸出電感電流而產(chǎn)生。由于電流模式控制功能除了可為每周期提供電流限幅之外,還可提供卓越的帶寬及瞬態(tài)響應(yīng),因此是較為理想的選擇。
基本操縱
  采用 LM3488 的典型回掃轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì), Vo1 是這個(gè)電路的主輸出,而 Vo2 與 Vo3 則是其從屬輸出。從屬輸出會(huì)隨著線路的轉(zhuǎn)變而調(diào)節(jié),以確保電壓穩(wěn)定,也會(huì)隨著負(fù)載的轉(zhuǎn)變而酌量調(diào)節(jié),以確保電壓穩(wěn)定。
  Q 啟動(dòng)時(shí),Np 會(huì)產(chǎn)生固定電壓,而電流會(huì)按照線性的函數(shù)方式上升,其速率可用以下公式表達(dá):
  dI/dt = (Vin 1/Lp)
  而 Lp 為低級(jí)線圈磁化電感
  啟動(dòng)完結(jié)時(shí),低級(jí)線圈電流已上升到 Ip-peak=(Vin 1)Ton/Lp。在啟動(dòng) (Ton) 時(shí),儲(chǔ)存在電感器的電力可用以下公式表達(dá):
  E:={L_{p} (I_{p-peak})}︿{2}\over{2}
  當(dāng) Q 封閉時(shí),低級(jí)線圈的電感會(huì)將所有線圈的極性逆轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)。
  假設(shè)只有一個(gè)輸出,低級(jí)線圈的所有能量理論上應(yīng)該會(huì)在封閉的一瞬間傳送到次級(jí)線圈。次級(jí)線圈的最高電流相即是 Is-peak = Ip-peak N,其中 N 是低級(jí)線圈與次級(jí)線圈之間的匝數(shù)比 (Np/Ns) 。
  傳送到輸出的電功率為:
  P:={E}\over{T}={[(V_{in}-1) T_{on}]}︿{2}\over{2 T L_{p}}
  其中
  T 是指相即是 1/開(kāi)關(guān)頻率的時(shí)間
  Ton 是指開(kāi)啟時(shí)間
  回掃環(huán)路將 Vin Ton 乘積固定在某一水平,以確保輸出電壓保持穩(wěn)定。
  變壓器設(shè)計(jì)
  理論上,變壓器不應(yīng)儲(chǔ)存能量,所有能量都會(huì)立即由低級(jí)線圈傳到次級(jí)線圈。
  回掃變壓器可用作儲(chǔ)存能量的裝置。開(kāi)關(guān)啟動(dòng)之后,大部分能量都會(huì)儲(chǔ)存在變壓器的低級(jí)電感之中。開(kāi)關(guān)封閉后,能量便會(huì)傳送到次級(jí)線圈以及輸出電容器與負(fù)載。能量?jī)?chǔ)存在核心的空氣間隙,若采用的是透磁合金粉核心,能量則儲(chǔ)存在核心之內(nèi)。
  電感變壓器在設(shè)計(jì)上應(yīng)力求將泄漏電感、交流電線圈損耗及核心損耗減至最低。泄漏電感屬于不會(huì)與次級(jí)電感互相耦合的低級(jí)電感部分。由于泄漏電感一方面會(huì)減低變壓器的效率,而另一方面又會(huì)在開(kāi)關(guān)芯片的漏極產(chǎn)生峰值,因此必須留意將泄漏電感減至最少。
  高線圈損耗主要由趨膚效應(yīng)所引起。頻率越高,電流便越傾向流向?qū)щ婓w的表面,因此在一般情況下都會(huì)采用編織線或薄片線圈。編織線通常用幾條細(xì)小的電線絞合而成,而幾條編織線可再絞合一起編織成更粗的絞合線。
  核心的窗形口應(yīng)開(kāi)得越闊越好,以減少層數(shù),使交流電線圈損耗及泄漏電感可以減至最低。內(nèi)部設(shè)有空氣間隙的 E 類核心是產(chǎn)生低本錢(qián)及低泄漏電感的首選解決方案。
  核心損耗取決于核心物料、開(kāi)關(guān)頻率及電流擺幅。對(duì)于采用斷續(xù)導(dǎo)電設(shè)計(jì)而開(kāi)關(guān)頻率超過(guò) 100 kHz 的回掃變壓器來(lái)說(shuō),鐵氧體 P 物料通常是首選物料,由于這種物料可以降低核心損耗。
  工作頻率
  LM3488 驅(qū)動(dòng)器的工作頻率范圍較為廣闊,可在 100 kHz 至 1 MHz 的開(kāi)關(guān)頻率范圍內(nèi)工作。
  我們?yōu)殡娫垂┙o器選擇工作頻率時(shí),應(yīng)具體考慮開(kāi)關(guān)損耗、變壓器總體損耗、磁性元件的外型大小、本錢(qián)以及輸出電容器等不同因素,力求各方面的優(yōu)點(diǎn)都能充分發(fā)揮出來(lái)。
  高開(kāi)關(guān)頻率會(huì)降低輸出電容以及低級(jí)和次級(jí)線圈的電感,因此有助縮小變壓器的體積。
  但高開(kāi)關(guān)頻率也同樣會(huì)增加變壓器的損耗及開(kāi)關(guān)器的開(kāi)關(guān)損耗。高損耗會(huì)降低電源供給器的總體效率,以致需要加大散熱器才能散發(fā)積聚的大量熱能。

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