裴子軒 吳一 黎坤

(中國(guó)航天第九研究院十六研究所,陜西西安 710100)

0 引言

近年來(lái),開(kāi)關(guān)電源朝著高頻化的方向發(fā)展,伴隨著開(kāi)關(guān)頻率的增加,開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗都會(huì)增加[1]。在各種變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,反激式變換器廣泛應(yīng)用于高電壓、小功率場(chǎng)合,例如可用于激光陀螺高壓電路中。反激式變換器的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要輸出濾波電感,使反激式變換器成本降低,體積減小。由于輸出端可不接濾波電感,該拓?fù)湓诟邏翰皇呛芨叩膱?chǎng)合下很有優(yōu)勢(shì)。此外,反激式變換器不需要高壓續(xù)流二極管,使它在高電壓場(chǎng)合下應(yīng)用更有利。本文利用L6565D準(zhǔn)諧振芯片的控制和準(zhǔn)諧振技術(shù)設(shè)計(jì)了一種反激式高壓電源,電源電路通過(guò)原邊勵(lì)磁電感和開(kāi)關(guān)管內(nèi)部輸出電容以及電路中的其他雜散電容產(chǎn)生諧振,經(jīng)L6565D控制芯片檢測(cè)開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力情況后再提前或者滯后發(fā)出驅(qū)動(dòng),使得電壓和電流避免交叉,即軟開(kāi)關(guān)技術(shù)[2],實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通和低電壓導(dǎo)通,避免了導(dǎo)通時(shí)電流和電壓的交叉,大大降低了MOS管的開(kāi)關(guān)損耗,提高了變換器的效率,實(shí)現(xiàn)了電壓的穩(wěn)定輸出。

圖1 反激式電源基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1 反激式電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為反激式電源的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí),變壓器原邊電感電勢(shì)為上正下負(fù)。由于同名端電勢(shì)相同,此時(shí)副邊電感電勢(shì)為上負(fù)下正,二極管D1反向截止。當(dāng)MOS管關(guān)斷時(shí),副邊電感電勢(shì)為上正下負(fù),二極管導(dǎo)通,初級(jí)儲(chǔ)存的能量傳送到次級(jí),提供負(fù)載電流,同時(shí)給輸出電容充電。

想要使反激式電源工作在準(zhǔn)諧振模式,首先應(yīng)該保證其工作在DCM(不連續(xù))模式。工作于DCM模式下的反激式變換器的初次級(jí)電流波形[3]如圖2所示。

MOS管導(dǎo)通時(shí),初級(jí)電流線性上升,斜率為:

其中,Vin為輸入電壓,V;L1為初級(jí)勵(lì)磁電感,H。在導(dǎo)通結(jié)束前,初級(jí)電流上升達(dá)到:

式中Ipeak為峰值電流,A;Ton為開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間,s。此時(shí)變壓器儲(chǔ)存的能量為:

開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí),一個(gè)周期內(nèi)直流母線電壓提供的功率為:

式中,T為開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)周期,s。

圖2 不連續(xù)模式下反激式變換器初次級(jí)電流波形

圖3 準(zhǔn)諧振反激式電源原理圖

2 準(zhǔn)諧振反激式電源

準(zhǔn)諧振反激式電源原理如圖3所示。其中,R1為變壓器初級(jí)電感的等效電阻,Lleak為原邊等效漏感量,Coss為MOS管的外部輸出電容。當(dāng)發(fā)生準(zhǔn)諧振時(shí),原邊能量全部傳遞給副邊,初級(jí)電感L1和Coss開(kāi)始諧振。當(dāng)MOS管關(guān)斷時(shí),次級(jí)繞組將能量全部釋放至輸出端,變壓器完成磁通復(fù)位。電感Lleak和電容Coss會(huì)使Vds產(chǎn)生第一個(gè)尖峰振蕩,振蕩的幅度與漏感大小有關(guān)。對(duì)于常規(guī)的反激式電源,其MOS管的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間是固定的,但對(duì)于準(zhǔn)諧振反激式電源來(lái)說(shuō),MOS管剛好在諧振的谷底導(dǎo)通,若選取合適的匝比,就可以實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通,使得導(dǎo)通時(shí)的下降電壓和上升電流避免交叉,降低了開(kāi)關(guān)損耗。準(zhǔn)諧振反激式電源中L6565D控制芯片可以通過(guò)增加的一路輔助繞組來(lái)檢測(cè)變壓器退磁,當(dāng)檢測(cè)到變壓器退磁時(shí),芯片發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)使MOS管在電壓至谷底時(shí)導(dǎo)通,完成準(zhǔn)諧振工作過(guò)程。

3 L6565D芯片控制電路設(shè)計(jì)

L6565D與其他準(zhǔn)諧振芯片相比,其優(yōu)勢(shì)在于具有電壓前饋功能,提高了其抑制輸入紋波的能力。當(dāng)電路輸入電壓波動(dòng)較大時(shí),電路極易發(fā)生振蕩。此時(shí),通過(guò)電源輸入側(cè)的電阻分壓后的電壓進(jìn)入芯片的反饋取樣處,前饋電壓將改變電路的電流調(diào)整點(diǎn),因此當(dāng)電路輸入電壓波動(dòng)較大時(shí),電路極易保持穩(wěn)定[4]。

如圖4所示,電阻R1和R2為分壓電阻,選擇合適的比例將電壓反饋至引腳VFF。根據(jù)反饋的電壓,其內(nèi)部的限流點(diǎn)也會(huì)跟著調(diào)整,二者成線性關(guān)系,關(guān)系如圖5所示。VCSX表示電流調(diào)整點(diǎn)上的控制電壓,由數(shù)據(jù)手冊(cè)得:

式中,VCS、VCOMP、VVFF為各引腳上的電壓,V。

誤差放大器的電壓一般取VCOMP=5.6 V,上式可簡(jiǎn)化為:

VCC為芯片外部供電電壓,V;R1,R2為分壓電阻,Ω。

設(shè)電源的效率為80%,引腳CS的限流電阻大小理論值的計(jì)算依據(jù):

式中,Po,Pin為輸出,輸入功率,W;η為電源效率。

得到原邊峰值電流大小為:

所以限流電阻的大小為:

引腳ZCD連接的電阻R7起到了限流和分壓的作用,其阻值會(huì)影響電壓谷底導(dǎo)通的位置,后期可以根據(jù)測(cè)試情況對(duì)其阻值進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 變壓器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)變壓器時(shí)需遵循眾多規(guī)則,必須注意設(shè)計(jì)順序。首先應(yīng)確定匝數(shù)比,因?yàn)樵褦?shù)比決定了不考慮漏感尖峰時(shí)開(kāi)關(guān)管可以承受的最大關(guān)斷電壓Vms(max)。當(dāng)忽略漏感尖峰并設(shè)整流濾波電路中二極管壓降為1V時(shí),則直流輸入電壓最大時(shí)開(kāi)關(guān)管的最大電壓應(yīng)力為:

參數(shù)選擇應(yīng)使Vms(max)盡可能的小,以確保當(dāng)有0.3Vin的漏感尖峰疊加于Vms(max)時(shí),對(duì)開(kāi)關(guān)管的極限值仍留有30%的余量。

圖4 控制電路原理圖

其次,設(shè)計(jì)時(shí)要保證磁心不飽和且電路始終工作于DCM模式。為了保證電路工作于不連續(xù)模式,必須設(shè)定死區(qū)時(shí)間,即圖2中的Tdt。即使Vin最低時(shí)對(duì)應(yīng)的最大導(dǎo)通時(shí)間與復(fù)位時(shí)間之和也不超過(guò)整個(gè)周期的80%。假設(shè)MOS管和整流二極管的正向?qū)▔航刀际?V,則最大導(dǎo)通時(shí)間可根據(jù)下式確定:))

將以上兩式聯(lián)立得:

圖5 VCSX 與VVFF 之間的關(guān)系曲線

圖6 L6565D 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

式中,Ton為導(dǎo)通時(shí)間,Tr為復(fù)位時(shí)間,s;N1,N2為變壓器初次級(jí)匝數(shù)。

設(shè)變換器的效率為80%,則計(jì)算初級(jí)電感量:

聯(lián)立求得:

接下來(lái)計(jì)算初次級(jí)電流有效值和導(dǎo)線尺寸,初級(jí)電流為三角波,峰值為Ipeak,有效值為:

若取500圓密耳每有效值安培,則初級(jí)所需的總圓密耳數(shù)=500Irms(初級(jí))。

次級(jí)電流也為三角波,峰值Is=Ipeak(N1/N2),周期為Tr,Tr=(T-Ton)次級(jí)電流有效值為:

若取500圓密耳每有效值安培,則初級(jí)所需的總圓密耳數(shù)=500Irms(次級(jí))。

最后,用AP法[5]選擇合適的磁芯尺寸:

其中Aw為磁芯窗口面積,cm2;Ae為磁芯截面積,cm2;L1為原邊電感量,H;Ipeak為原邊峰值電流,A;Bw為磁芯工作磁感應(yīng)強(qiáng)度,T;K0為窗口使用系數(shù)(通常為0.4-0.6),Kj為電流密度,A/m2。原副邊匝比為:

其中Vor為反射電壓(開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間副邊向原邊耦合產(chǎn)生的電壓),V;Vf為整流二極管的壓降,V。

表1 L6565D 引腳功能

5 L6565D引腳功能及內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

圖6為L(zhǎng)6565D內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。芯片內(nèi)部集成有啟動(dòng)電路、零電流檢測(cè)電路、電流檢測(cè)比較器、電壓誤差放大器、RS鎖存器等。

電路隨著輸入電壓的波動(dòng)極易產(chǎn)生振蕩,會(huì)降低整體的穩(wěn)定性,但L6565D可以通過(guò)線電壓前饋進(jìn)行補(bǔ)償,這就保證了其輸出功率的穩(wěn)定[6]。且當(dāng)傳統(tǒng)準(zhǔn)諧振芯片工作在輕載高頻的狀態(tài)下時(shí),其電流過(guò)零檢測(cè)難度高,但L6565D在輕載時(shí)具有一項(xiàng)特殊功能,該功能會(huì)自動(dòng)降低工作頻率以滿足電路正常工作的需要,同時(shí)有助于保持較低的電源損耗。由于內(nèi)部的5.2V穩(wěn)壓二極管和三極管VBE的0.65V電壓的共同鉗位作用[7],VZCD的最大值為5.2V,最小值為0.65V。特別地,如果向ZCD(引腳5)施加了低于1.6V的下降沿,則零電流檢測(cè)模塊將接通外部MOSFET。但是,為了確?？垢呖乖肼晹_度,觸發(fā)電路在負(fù)向脈沖降至1.6V之前則被啟動(dòng),且電壓在下降至1.6V以下之前,引腳5上的電壓必須經(jīng)歷一個(gè)超過(guò)2.1V的上升沿。在外部MOSFET關(guān)斷之后,觸發(fā)電路將消隱一定時(shí)間[8](大于3.5μs),用來(lái)阻止任何負(fù)向脈沖沿跟隨漏感退磁,造成ZCD電路的誤觸發(fā),并進(jìn)入頻率折返模式。所以MOSFET管的關(guān)斷時(shí)間應(yīng)該大于3.5μs,若小于3.5μs,開(kāi)關(guān)管將會(huì)在第二個(gè)或者第三個(gè)谷底導(dǎo)通[9]。L6565D控制芯片的各引腳功能如表1所示。

圖7 ZCD 引腳和GD 引腳的電壓波形圖

6 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)激光陀螺高壓電源的技術(shù)指標(biāo)要求,激光陀螺的起輝電壓在-2300V±200V范圍內(nèi),維持電壓的范圍在-700V±100V,并且波動(dòng)小于10V。

6.1 ZCD引腳和GD引腳電壓

圖7為L(zhǎng)6565D控制芯片的ZCD引腳和GD引腳的電壓波形圖,通道一為ZCD引腳的波形圖,通道二為GD引腳的波形圖。由芯片的引腳功能分析可知,當(dāng)ZCD引腳的下降沿電壓低于1.6V時(shí),會(huì)驅(qū)動(dòng)方波脈沖輸出,接通外部M O S F E T,并輸出P W M 波,并且M O S F E T 關(guān)斷后,觸發(fā)電路至少消隱3.5μs。由波形圖可以看出,在觸發(fā)電路消隱的3.5μs內(nèi),即使ZCD引腳上的電壓經(jīng)歷了一個(gè)下降沿到1.6V以下,GD引腳也會(huì)保持低電平而不會(huì)觸發(fā)。借助芯片的ZCD引腳退磁檢測(cè)功能,保證了開(kāi)關(guān)電源在任意情況下(電壓和輸出電流在一定范圍內(nèi)變化)都可以準(zhǔn)確檢測(cè)到谷底的位置,使得開(kāi)關(guān)管以最小的開(kāi)關(guān)應(yīng)力導(dǎo)通,降低了電壓尖峰的干擾,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)損耗的降低。

6.2 起輝及維持電壓

由于起輝電壓為高壓,示波器無(wú)法直接測(cè)量,所以測(cè)量電源電壓波形時(shí),將20個(gè)1MΩ的電阻串聯(lián)在一起,等效成一個(gè)阻值為20MΩ的電阻并聯(lián)在激光陀螺兩端,測(cè)量一個(gè)電阻兩端的電壓波形,并放大20倍,即為激光陀螺兩端的電壓波形。圖8為一個(gè)1MΩ電阻兩端的電壓波形,將電壓波形放大20倍可以得出結(jié)論:起輝瞬間,電壓達(dá)到-2240V,經(jīng)過(guò)9.6ms后陀螺被點(diǎn)亮,電壓下降到-600V維持,激光陀螺穩(wěn)定工作。

圖8 1M Ω電阻兩端的電壓波形

6.3 交流紋波

紋波是疊加在直流電壓中的交流分量,其頻率與開(kāi)關(guān)頻率相同。當(dāng)交流電壓經(jīng)過(guò)整流濾波電路后,通常會(huì)有剩余的交流成分,用數(shù)字表交流檔可以測(cè)得其有效值。激光陀螺經(jīng)起輝后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),高壓電源的輸出電壓為-600V,用數(shù)字表測(cè)得其交流紋波有效值為363mV。

7 結(jié)語(yǔ)

本文利用L6565D準(zhǔn)諧振芯片的控制和準(zhǔn)諧振技術(shù)設(shè)計(jì)了一種反激式高壓電源,包括電源的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制電路的設(shè)計(jì)、變壓器的設(shè)計(jì)以及L6565D控制芯片的分析。最后,經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,含有L6565D準(zhǔn)諧振控制芯片的激光陀螺高壓控制電路,通過(guò)外部15V電源供電,可以為激光陀螺提供-2240V的負(fù)起輝高壓將陀螺點(diǎn)亮,并穩(wěn)定地提供-600V的維持電壓,保證了激光陀螺的正常工作。