论文部分内容阅读
辅助电源的设计在BMP(Board Mounted Power)模块设计中是非常重要的一个环节。通过有效运用次级侧辅助电源可以大大改善启动波形。由于初级侧辅助电源会受到各种保护模式的影响,所以辅助电源的设计应当全面考虑,谨慎设计。下文对BMP模块中反激变换器辅助电源的设计要点做出介绍。
一、初级侧辅助电源的设计
对于大多数的BMP模块而言,由于体积所限并不会有额外的反激电路来产生单独的辅助电源,所以控制器一般被置于初级侧。如果控制器有高压自启动功能,可以直接由输入电压通过电阻连到Vin,通过IC自身的LDO(Low Drop-Out,低压差线性稳压器)转化为低电压后给IC供电,此时VCC外部所需的电容由VCC的开关机滞环电压决定,如果滞环电压很小,那么需要的电容就很多,考虑到BMP的空间有限,通常不直接应用它的高压自启动功能,将IC的VIN与VCC短接可以屏蔽该功能。VCC直接由外部的LDO供电。当主拓扑正常工作时,使用一个辅助绕组为所有的控制电路供电,关闭LDO以减少损耗。
下面为一个典型的初级侧辅助电源的电路图(主功率为反激变换器)。
Q201、R204、R243、C292和CR201组成输入LDO,T1(#4)是与主变压器耦合的辅助绕组,当主变压器正常工作以后,在辅助绕组上可以耦合出等比例的电压给控制IC供电,但在此电压建立前,控制器IC101须由输入LDO供电。Q201的门极有一个稳压二极管CR201,稳压管电压减去Q201的GS门槛电压应高于IC的最小启动电压。另一方面,启动结束后,应确保输入LDO不工作,否则由于Q201两端的大电压差,再乘以流过Q201的电流(IC101的工作电流),会令Q201损耗过大而损坏。Q201不导通的条件是CR201上的电压减去C285上的电压小于Q201的GS门槛电压。
当进入短路电流模式时,辅助绕组没有电压,LDO一直处于工作状态,所以损耗很大。特别是在高电压输入时,晶体管的漏极与源极间的电压降最高,LDO的损耗最大,应根据此时的损耗选择合适的晶体管。因此通常Q201会采用一个大封装的晶体管以便于散热。
在反激电路里,辅助绕组的电压在理论上与输出电压成比例关系。而实际上它会随占空比和输出负载变化,特别是在DCM模式下,占空比随负载变化很大,它的变化范围很宽。辅助绕组电压在高压输入,空载时最小。设计辅助绕组时应确保绕组电压在此情况下大于控制IC对VCC的最小要求。辅助电源电压在低电压输入满载时最大,此时LDO 晶体管Q201 GS两端承受的负电压也是最大,在设计上应该保证这个负电压不会损坏晶体管,通常VGS的反压不能大于20V(详见晶体管规格书)。为了消除反压的影响,通常会在Q201 S极和CR202阴极之间串联一个二极管,从而有效的阻断Q201 VGS之间的负压。在CCM模式下,因为占空比随负载的变化很小,所以相比于在DCM模式下辅助绕组的电压变化范围小。
除了晶体管 Q201的所有参数要仔细考虑以外,二极管和稳压二极管的参数都会随温度而变化,因此也是需要特别注意的。其中需要重点考虑的情况是最低工作温度,在低温(-40摄氏度)环境下,Q201 / Q202的GS门槛电压会比室温环境下增加很多,因此VCC相对较低。设计中稳压二极管CR201的选取应确保VCC高于其最大开启电压。
二、次级侧辅助电源的设计
次级侧辅助电源的一个重要要求是快速建立,通常输出电压在次级侧采样后会和输出的基准电压做比较,电压运放输出的误差信号用来控制占空比。次级侧的辅助电源快速建立可以保证输出电压基准和电压运放快速的进入正常工作模式。反之,如果次级侧辅助电源不能快速建立,输出运放不能正常工作,输出电压是在开环控制或初级侧软启动控制下建立的,在次级侧辅助电源电压建立以后,运放开始工作时,占空比控制从开环向闭环切换,容易产生震荡,这是因为在切换点之间输出电压不可控,输出的采样电压和基准电压不相等,电压运放饱和输出,占空比变化很大,迫使输出电压快速的跟踪基准电压,如果该切换情况发生在输出电压建立过程中,恰好在后级电路的开启电压附近,该震荡产生的输出电压不单调现象会导致后级电路反复开机,因此必须避免该情况的发生。次级侧辅助电源快速建立可以把输出电压的抖动控制在输出电压启动波形的底部,不会对后级电路产生影响。
下面是一个典型的次级侧辅助电源的电路图(主功率为反激变换器)。
如图,与初级侧辅助电源一样,有一个反激式辅助绕组T1B #3为次级侧控制电路供电。它与输出电压成比例关系,是比较稳定的。但是输出电压建立很慢,尤其是在输出带容性负载的情况下,输出电压建立更慢,所以反激式的辅助电压并不能快速建立。因此这里需要另外一个正激辅助绕组T1B #4,由于它只与输入电压成比例关系,只要有输入电压,它就可以快速的为辅助电源电容充电。这两个绕组由两个二极管CR111和CR110连接在一起,启动时,正激辅助绕组的电压高于反激辅助绕组,CR111开通,随着反激辅助绕组电压的增加,正激辅助绕组电压应被截止以减少损耗,所以用一个LDO防止Q107开通,如果反激绕组的电压高于稳压管电压,Q107关断。
设计时在整个温度范围考虑到参数变化的情况下应确保正激辅助绕组正常工作时并不提供电流。在一些特殊情况下,输出电压(12V)本身作为次级侧辅助电源是非常合适的,此时输出电压可以直接替代反激辅助绕组直接作为次级侧辅助电源使用。
一、初级侧辅助电源的设计
对于大多数的BMP模块而言,由于体积所限并不会有额外的反激电路来产生单独的辅助电源,所以控制器一般被置于初级侧。如果控制器有高压自启动功能,可以直接由输入电压通过电阻连到Vin,通过IC自身的LDO(Low Drop-Out,低压差线性稳压器)转化为低电压后给IC供电,此时VCC外部所需的电容由VCC的开关机滞环电压决定,如果滞环电压很小,那么需要的电容就很多,考虑到BMP的空间有限,通常不直接应用它的高压自启动功能,将IC的VIN与VCC短接可以屏蔽该功能。VCC直接由外部的LDO供电。当主拓扑正常工作时,使用一个辅助绕组为所有的控制电路供电,关闭LDO以减少损耗。
下面为一个典型的初级侧辅助电源的电路图(主功率为反激变换器)。
Q201、R204、R243、C292和CR201组成输入LDO,T1(#4)是与主变压器耦合的辅助绕组,当主变压器正常工作以后,在辅助绕组上可以耦合出等比例的电压给控制IC供电,但在此电压建立前,控制器IC101须由输入LDO供电。Q201的门极有一个稳压二极管CR201,稳压管电压减去Q201的GS门槛电压应高于IC的最小启动电压。另一方面,启动结束后,应确保输入LDO不工作,否则由于Q201两端的大电压差,再乘以流过Q201的电流(IC101的工作电流),会令Q201损耗过大而损坏。Q201不导通的条件是CR201上的电压减去C285上的电压小于Q201的GS门槛电压。
当进入短路电流模式时,辅助绕组没有电压,LDO一直处于工作状态,所以损耗很大。特别是在高电压输入时,晶体管的漏极与源极间的电压降最高,LDO的损耗最大,应根据此时的损耗选择合适的晶体管。因此通常Q201会采用一个大封装的晶体管以便于散热。
在反激电路里,辅助绕组的电压在理论上与输出电压成比例关系。而实际上它会随占空比和输出负载变化,特别是在DCM模式下,占空比随负载变化很大,它的变化范围很宽。辅助绕组电压在高压输入,空载时最小。设计辅助绕组时应确保绕组电压在此情况下大于控制IC对VCC的最小要求。辅助电源电压在低电压输入满载时最大,此时LDO 晶体管Q201 GS两端承受的负电压也是最大,在设计上应该保证这个负电压不会损坏晶体管,通常VGS的反压不能大于20V(详见晶体管规格书)。为了消除反压的影响,通常会在Q201 S极和CR202阴极之间串联一个二极管,从而有效的阻断Q201 VGS之间的负压。在CCM模式下,因为占空比随负载的变化很小,所以相比于在DCM模式下辅助绕组的电压变化范围小。
除了晶体管 Q201的所有参数要仔细考虑以外,二极管和稳压二极管的参数都会随温度而变化,因此也是需要特别注意的。其中需要重点考虑的情况是最低工作温度,在低温(-40摄氏度)环境下,Q201 / Q202的GS门槛电压会比室温环境下增加很多,因此VCC相对较低。设计中稳压二极管CR201的选取应确保VCC高于其最大开启电压。
二、次级侧辅助电源的设计
次级侧辅助电源的一个重要要求是快速建立,通常输出电压在次级侧采样后会和输出的基准电压做比较,电压运放输出的误差信号用来控制占空比。次级侧的辅助电源快速建立可以保证输出电压基准和电压运放快速的进入正常工作模式。反之,如果次级侧辅助电源不能快速建立,输出运放不能正常工作,输出电压是在开环控制或初级侧软启动控制下建立的,在次级侧辅助电源电压建立以后,运放开始工作时,占空比控制从开环向闭环切换,容易产生震荡,这是因为在切换点之间输出电压不可控,输出的采样电压和基准电压不相等,电压运放饱和输出,占空比变化很大,迫使输出电压快速的跟踪基准电压,如果该切换情况发生在输出电压建立过程中,恰好在后级电路的开启电压附近,该震荡产生的输出电压不单调现象会导致后级电路反复开机,因此必须避免该情况的发生。次级侧辅助电源快速建立可以把输出电压的抖动控制在输出电压启动波形的底部,不会对后级电路产生影响。
下面是一个典型的次级侧辅助电源的电路图(主功率为反激变换器)。
如图,与初级侧辅助电源一样,有一个反激式辅助绕组T1B #3为次级侧控制电路供电。它与输出电压成比例关系,是比较稳定的。但是输出电压建立很慢,尤其是在输出带容性负载的情况下,输出电压建立更慢,所以反激式的辅助电压并不能快速建立。因此这里需要另外一个正激辅助绕组T1B #4,由于它只与输入电压成比例关系,只要有输入电压,它就可以快速的为辅助电源电容充电。这两个绕组由两个二极管CR111和CR110连接在一起,启动时,正激辅助绕组的电压高于反激辅助绕组,CR111开通,随着反激辅助绕组电压的增加,正激辅助绕组电压应被截止以减少损耗,所以用一个LDO防止Q107开通,如果反激绕组的电压高于稳压管电压,Q107关断。
设计时在整个温度范围考虑到参数变化的情况下应确保正激辅助绕组正常工作时并不提供电流。在一些特殊情况下,输出电压(12V)本身作为次级侧辅助电源是非常合适的,此时输出电压可以直接替代反激辅助绕组直接作为次级侧辅助电源使用。