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對(duì)設(shè)計(jì)人員來說，有源箝位正激變換器有很多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在正得到廣泛應(yīng)用。采用正激結(jié)構(gòu)的電源變換器是高效率、大功率應(yīng)用（50W 至 500 W范圍）的出色選擇。雖然正激結(jié)構(gòu)的普及有各種各樣的原因，但設(shè)計(jì)者主要青睞的是它的簡捷、性能和效率。 正激變換器來源于降壓結(jié)構(gòu)。兩者之間的主要區(qū)別是：正激結(jié)構(gòu)變壓器的輸入地和輸出地之間是絕緣的，另外它還有降壓或升壓功能。正激結(jié)構(gòu)中的變壓器不會(huì)象在對(duì)稱結(jié)構(gòu)（如推挽、半橋和全橋）中那樣，在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)進(jìn)行自復(fù)位。正激功率變換器中使用了一些不同的復(fù)位機(jī)制，它們各有自己的優(yōu)點(diǎn)和挑戰(zhàn)。對(duì)設(shè)計(jì)者而言，有源箝位正激變換器具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，因此現(xiàn)在這個(gè)拓?fù)浔粡V泛應(yīng)用。 圖 1. 降壓與正激結(jié)構(gòu) Buck：降壓 Forward：正激 圖1 顯示了 降壓 和正激轉(zhuǎn)換器之間的相似之處。注意兩種變換功能的唯一區(qū)別是在正激變換功能中，匝數(shù)比(Ns/Np)這一名詞所包含的內(nèi)容。Ns 和 Np 分別為次級(jí)匝數(shù)和初級(jí)匝數(shù)，均繞在變壓器磁芯上。圖 2 顯示了一個(gè)變壓器模型，其中包括與初級(jí)繞組并聯(lián)的“勵(lì)磁電感”（Lm）。這個(gè)勵(lì)磁電感可以在次級(jí)繞組開路狀態(tài)下在初級(jí)端子處測(cè)量。勵(lì)磁電感中的電流與磁芯中的磁通密度成正比。確定尺寸的某種磁芯只能支持到某個(gè)磁通密度，然后磁芯就會(huì)進(jìn)入飽和。當(dāng)磁芯飽和時(shí)，電感量會(huì)急劇下降。變壓器模型中另外一個(gè)部分是與初級(jí)繞組串聯(lián)的“漏感”（LL）。漏感可以在次級(jí)繞組短路情況下在初級(jí)端子處測(cè)量。這一名稱表示雜散的初級(jí)電感，它不會(huì)耦合到次級(jí)。 圖 2. 變壓器模型 Primary：初級(jí) Secondary：次級(jí) Ideal Transformer：理想變壓器 有源箝位電路的工作 圖 3a 到 3c 表示了有源箝位正激電源轉(zhuǎn)換器的主要工作步驟。在時(shí)刻 t0 時(shí)，主功率開關(guān)（Q1）導(dǎo)通，在變壓器初級(jí)施加一個(gè) VIN。變壓器次級(jí)繞組電壓為 VIN x Ns/Np。此時(shí)的初級(jí)電流包括兩個(gè)部分：來自輸出電感的映射電流(IL x Ns/Np)；以及在激磁電感（Lm）中上升的電流。復(fù)位開關(guān) Q2 關(guān)斷，箝位電容（Cc）已被預(yù)先充電到電壓 VIN/(1-D)，這個(gè)在后面再作解釋。這段時(shí)間為供能階段，能量從初級(jí)傳送到次級(jí)。供能階段的大致時(shí)間為 Ts x VOUT / VIN，其中 Ts 為開關(guān)周期。 圖 3a. 在 t0 時(shí)的工作狀態(tài) 圖 3b. 在 t1 時(shí)的工作狀態(tài) 圖 3c. 在 t2 時(shí)的工作狀態(tài) 在時(shí)刻 t1 時(shí)，主功率開關(guān)（Q1）關(guān)斷，復(fù)位開關(guān)（Q2）導(dǎo)通。勵(lì)磁電流從Q1轉(zhuǎn)移到流過箝位電容和 Q2。由于箝位電容電壓高于 VIN，與供能階段 t0 相比，變壓器初級(jí)上的電壓反向。由于激磁電感上的電勢(shì)反向，伴隨著勵(lì)磁電感中儲(chǔ)存的能量被傳送給箝位電容，勵(lì)磁電流也逐漸減小。在此期間，箝位電容上的電壓有輕微的上升，并在勵(lì)磁電流到零時(shí)達(dá)到它的峰值。 在時(shí)刻 t2 時(shí)，勵(lì)磁電感中的電流降到零，并開始沿相反方向建立電流。電流來源于箝位電容，通過復(fù)位開關(guān)（Q2）和勵(lì)磁電感（Lm），再流回電源（VIN）。當(dāng)箝位電容將前面從激磁電感中獲得的能量重新釋放出來時(shí)，電流持續(xù)沿相反方向建立起來。穩(wěn)定狀態(tài)需要箝位電容電壓回到起始電位，而復(fù)位時(shí)間結(jié)束時(shí)的磁化電流幅度要達(dá)到與復(fù)位時(shí)間開始電流相同的水平（極性相反）。在 t2 結(jié)束時(shí)，由控制器振蕩周期確定的開關(guān)周期結(jié)束。復(fù)位開關(guān)關(guān)斷，從箝位電容流過的電流終止。 圖 4 顯示了幾個(gè)主要的電路波形。最上面的波形是調(diào)幅器的斜坡波形以及決定主開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的誤差信號(hào)波形。中間波形是主開關(guān)的漏極電壓波形，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)為低，當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)上升至箝位電容電勢(shì)。下方波形中的紅線表示勵(lì)磁電流，它在復(fù)位期間流經(jīng)箝位電容（藍(lán)色波形）。正如期望的那樣，兩個(gè)電流在零線取得平衡。 圖 4. 有源箝位的幾個(gè)主要波形 控制器斜波與誤差信號(hào) (V) 主開關(guān)漏極電壓(V) 箝位電容與磁化電流(mA) 有源箝位復(fù)位的優(yōu)點(diǎn) 用有源箝位復(fù)位可以減少各種開關(guān)損耗。在柵極驅(qū)動(dòng)足夠快的情況下，Q1 的關(guān)斷幾乎是無損的。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，Q1 必須在漏極電壓有可能上升時(shí)立即關(guān)斷（電流不再流過）。漏極電壓的上升由于漏-源電容而被延遲，良好的柵極驅(qū)動(dòng)器可以在漏極電壓剛有明顯上升時(shí)立即關(guān)斷 Q1。用 MOS 和雙極器件組成的復(fù)合柵極驅(qū)動(dòng)器，可以產(chǎn)生出很高的柵極峰值放電電流，以確保快速關(guān)斷，降低開關(guān)損耗。同時(shí)，通過適當(dāng)選擇開關(guān)延遲可以降低導(dǎo)通損耗，使主開關(guān)起動(dòng)以前，漏極電壓有下降時(shí)間。 為了能有穩(wěn)定的工作狀態(tài)，在整個(gè)周期中施加在勵(lì)磁電感上的伏秒值必須為零。當(dāng)主開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，伏秒值為 VIN x D x Ts，其中 D 是導(dǎo)通占空比，Ts 為開關(guān)周期。關(guān)斷周期定義為 (1-D) x Ts。當(dāng)主開關(guān)關(guān)斷時(shí)，初級(jí)上的電壓為 VC – VIN，其中 VC 是箝位電容電壓。在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，伏秒值必須相等： VINx D x Ts = (VC – VIN) x (1-D) x Ts 算出箝位電容電壓： VC = VIN /(1-D) 應(yīng)記住，當(dāng) VIN 增加時(shí)，占空比（D）會(huì)減小。箝位電容電壓會(huì)適應(yīng)變化的電路（VIN）狀況，以保持這一等式成立。這個(gè)重要的特性使各種條件下對(duì)主開關(guān)的電壓要求降低到最小，因此可以使用較低額定 V(BR)DSS 的器件。較低額定 V(BR)DSS 的 MOSFET 有較小的導(dǎo)通電阻和較低的柵電荷，這樣能夠有更高的轉(zhuǎn)換效率。 儲(chǔ)存在漏感中的能量會(huì)進(jìn)行循環(huán)，而不是耗散掉，占空比大于 50% 的可能性降低了對(duì)整流管電壓的要求，進(jìn)一步降低了損耗。 評(píng)估板 好幾種 DC-DC 轉(zhuǎn)換器演示板都采用了有源箝位復(fù)位技術(shù)，分別采用電壓模式或電流模式進(jìn)行控制。輸入電壓范圍為 36V 至 75V，額定輸出為 3.3V 100W。15A 負(fù)載時(shí)測(cè)得的峰值效率為 93%。功率變壓器的匝數(shù)比為 6:1。初級(jí)繞組為 12 圈，次級(jí)繞組為 2 圈。此處還采用了一種平面結(jié)構(gòu)技術(shù)，初級(jí)線圈是做在一塊多層電路板上。大電流的次級(jí)繞組則做在絕緣的銅沖壓件上。 LM5025、LM5026 和 LM5034 控制器可以直接驅(qū)動(dòng) N 溝道功率開關(guān)和一個(gè) P 溝道復(fù)位開關(guān)。每個(gè)開關(guān)的內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)器大小不同。復(fù)位開關(guān)只通過勵(lì)磁電流，可以采用較小的柵極驅(qū)動(dòng)。主開關(guān)則需要較強(qiáng)的柵極驅(qū)動(dòng)，以降低開關(guān)損耗。在每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)輸出之間所需的時(shí)序延遲可以通過控制器進(jìn)行編程。輸出整流用同步 MOSFET 來實(shí)現(xiàn)。有源復(fù)位方法使同步整流易于實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗鼈兪亲则?qū)動(dòng)的。 總結(jié) 概括而言，有源箝位技術(shù)可以使用較低額定電壓的 MOSFET，簡化自驅(qū)動(dòng)同步整流的使用。勵(lì)磁能量與漏感能量可以回收并饋電給電源。這些優(yōu)點(diǎn)使得設(shè)計(jì)人員可以提高電源轉(zhuǎn)換的效率。 如欲了解更多關(guān)于美國國家半導(dǎo)體的電源資料，請(qǐng)查詢http://www.national.com/see/apads/c4pwr.cgi |
