RCC电路间歇振荡分析与改进研究*

蒋俊华，侯卫周

（河南大学 物理与电子学院，河南 开封475004）

RCC电路间歇振荡分析与改进研究*

蒋俊华，侯卫周

（河南大学 物理与电子学院，河南 开封475004）

RCC电路是一种可以用较少的几个器件获得高效工作的电路，但RCC电路在控制电流过大时会有间歇振荡的弊端现象发生，进而导致电路的振荡频率变化范围较大 (可从几百变到几千赫兹)，输出功率较大时易使变压器等器件产生异常噪音。此现象并非一无是处，通过对RCC电路改进分析得出在电路输出较小功率时，给电路加上一个脉冲信号便可启动，开关电路借助间歇振荡时工作在低能耗的状态；RCC电路性价比高，成本低廉，在高性能电源设备使用中能广泛普及。

RCC；间歇振荡；低能耗

0 引言

早期的非周期性开关电源当作家用电器的电源以来都选择它激式的电路结构，整个控制过程是振荡状态与抑制状态之间的耗时之比，故称其为自激式反激变换器，即 RCC(Ringing Choke Converter)电路[1]。RCC电路始终处于临界模式的工作状态，由于自身变压器的工作特点，导致其工作频率与输出的电流和输入的电压密切相关[2-3]。由于输入电压会改变电路的占空比及开关管的耐压要求高，故轻载时易产生间歇振荡、干扰等缺陷，这些细节在设计和调试时都必须留意[4-7]。尽管 RCC电路拥有一些缺点，但是RCC电路的优势很明显：电路结构简单；大多与驱动相关的困难(譬如驱动波形的处理、变压器饱和的处理等)在RCC电路中可以得到较好的解决；输出高频的杂音也会变小[8-10]；整个 RCC电路的效率较高。改进后的RCC变换器可消除交叉导通与变压器饱和等问题，且在直流电压127 V～396 V的范围内正常工作，可提供250 W以上的较高功率，RCC电路的性价比被大大提升[11-12]。如今 RCC电路优越特性已备受大众喜爱，因此高性能的电源设备大都使用RCC电路，如低压小功率模块电源、家用电器、手机充电宝等[13-15]。

1 RCC电路介绍

下面主要说明RCC电路的工作原理、输出电压的稳定环节和重要参数的分析与计算。

1.1 电路工作原理

在输出的电压保持一定电压时，比较器将会输出高电平，振荡器停止输出脉冲，开关管将会截止；在输出的电压减小后，比较器将会输出低电平，振荡器继续输出脉冲，开关管将会导通。自非周期性开关电源作为家用电器电源以来，普遍采用了自激振荡结构来简化之前繁琐的电路。整个控制过程是振荡状态与抑制状态之间的耗时之比，故称其为自激式反激变换器。图1是实际生活中应用最广泛的RCC工作原理图。

图1 RCC电路工作原理图

为方便分析RCC电路，特做如下假设：

(1)不计变压器漏感电流对电路主管 Tr1的 Vce的影响；(2)不计输出滤波电感对电路的影响；(3)电容 C2的分压在稳态时恒定；(4)电阻Rg稳态时忽略不计。

1.1.1 RCC电路的起动

电源Vin接通之后，电流ig经电阻Rg注入电路主管Tr1基极。当达到并超过 Tr1的阈值电压时，Tr1开始导通，这里的电流 ig称为起动电流，电阻 Rg称为起动电阻。

1.1.2 开关管Tr1处于ON状态

当Tr1处于ON状态时，Vce非常小，可忽略不计。由图1可知Vb与主管导通的极性一致，所以主管 Tr1在Vb的作用下维持导通状态。令主管Tr1基极与发射极之间的压降为Vbe1，二极管 D2的正向压降是 Vf2。初级绕组 Np的压降为 Vin，绕组 Nb的分压 Vb如式(1)，基极电流 Ib如式(2)：

可见，基极电流 Ib是连续而又稳定的电流。然而，晶体管Tr1的集电极电流 Ic是单调递增函数，当其增至一定值时，假设经过了 Ton的时间，基极电流 Ib会出现不足以维持继续增长的情况。进而使晶体管Tr1由饱和区进入不饱和区，此时 Vce将会增大，即分得一部分 Vin，显然初级绕组 Np所分得的电压将会减少。由式(2)可知，Vb也会随之减小，那么基极电流 Ib会更显不足，主管 Tr1会迅速进入OFF状态。

1.1.3 开关管Tr1处于OFF状态

在开关管Tr1由ON状态转变为OFF状态的同时，变压器的磁通量会发生改变。而磁通量的改变，导致变压器次级绕组感应电动势反向，D4导通，产生电流 i2，向负载提供功率。一段时间之后，令其为 Toff，变压器所储存的能量会释放完全，电流i2降为0。然而变压器原边线圈还存有少许能量，这部分能量驱动线圈Nb产生正向感应电压，主管 Tr1启动进入 ON状态，晶体管完成一次开关动作。

1.2 输出电压稳定环节

1.2.1 变压器的工作频率

RCC电路的稳压器实质上是利用次级绕组在OFF状态时产生的反向电动势来驱动负载。变压器储能的单位时间的释放量与输出功率关系如式(3)，式中：Lp为初级绕组的电感，f为变压器的工作频率。

1.2.2 稳压二极管的目的

RCC电路稳压基本原理如图2所示。

图2 RCC稳压电路

由上分析，晶体管Tr1由ON状态转变为OFF状态的主要原因是集电极电流Ic是单调递增函数，当其增至一定值时，基极电流Ib会出现不足以维持继续增长的情况。在稳压二极管 Dz、主管 Tr1的基极—发射极、电容C2组成的回路中，利用KVL定律得式(4)：

式中 Vbe2为此时主管 Tr1的基极—发射极的压降。由式(4)知在 Dz导通时，完成对驱动电流Id的引流，保证了晶体管的OFF状态。

1.2.3 输出电压的精度调节

由变压器的特性易得，图1中绕组Nb的电压值Vb与输出绕组NS的电压值Vs如式(5)：

当 Vbe2、Vf3、Vf4的值较小，可以忽略不计，由式(4)和式(5)得式(6)：

式(6)表明，输出电压 Vo与稳压二极管的导通电压Vz成正比，即输出电压与稳压二极管的精度一致。

1.3 两个重要参数的分析与计算

1.3.1 振荡占空比D的分析与计算

在对RCC电路的占空比D分析之前，对图1变压器部分电路进行必要的近似与简化后如图3所示。

图3 图1部分电路简化和等效

分析图3得知电流i1随着时间t的增加而增加，在t=Ton时，初、次级线圈的最大电流值 i1p和 i2p为：

进一步可以得到次级电路的电流瞬时值 i2，当 t=Toff时，变压器储能释放完全，如式(9)和式(10)：

由式(6)、式(10)和占空比定义可得式(11)和式(12)：

1.3.2 振荡频率的分析与计算

按照振荡频率f的定义，由式(6)、式(10)得：

次级绕组包括Ns和为晶体管Tr1的基极提供驱动电流的绕组Nb，Nb的存在直接影响了式(6)的合理性。通过对上述分析过程再做一个定性的校正：首先绕组Nb的存在将会分得变压器的部分储能，次级电路电流的最大值 i2p将会减小；其次 i2p减小，即式(6)的比值将会减小，凡依此值为基础的计算结果都将做出微调，即i2会减小，Toff会减小，占空比 D会增大，振荡频率 f会增大。

2 RCC电路基极驱动的分析与改进

2.1 RCC电路基极驱动

RCC电路的绕组 Nb为晶体管 Tr1的基极提供驱动电流 Id，流过基极电阻 Rb，此时必然会产生损耗[6]。绕组 Nb的电压 Vb与输入电压 Vin呈正比，驱动电流 Id也相应增大，基极驱动的损耗将会急剧增大。同时，驱动电流Id的增大，也会导致稳压电路的分流增大，易引起电路的间歇振荡，进而产生异常的噪音。

2.2 RCC电路基极驱动恒流部分设计

基极驱动之所以会出现上述的问题，根本原因在于驱动电流Id会随着输入电压 Vin的增大而增大。一旦获得恒流驱动，即驱动电流Id恒定，即可解决上述问题。对基极驱动进行改进如图4所示。在恒流源起作用时，Dz1此时并未导通，因为它是在主管Tr1处于OFF状态起作用。此时稳压管 Dz2、基极电阻 Rb、主管Tr1的基极-发射极、二极管构成了回路。当Ib随着Vin的增大而增大时，基极电阻Rb的压降VRb将会增大，致使稳压管 Dz2导通，将Tr2进行箝位，从而形成恒流驱动。这样就解决了基极电阻Rb损耗问题以及间歇振荡问题。

图4 基极恒流驱动

3 RCC电路的设计方法

RCC电路设计主要涉及功率、主电路、控制电路等的设计。下面结合如图5所示的例子进行简要说明。

主要技术参数：(1)输入电压AC：150 V～250 V，频率50 kHz；(2)输出电压5 V，输出电流 0.3 A；(3)稳压精度：10%；(4)工作效率〉75%。计算时取输入电压的最小值150 V、输出电流的最高值，则振荡频率 f=50 kHz，占空比取0.4。

图5 某改进型RCC电路

3.1 变压器的电感与匝数

由理论分析可知，流经绕组 Np的电流 i1(Ic)为三角波，若取工作效率 η=75%，则输入电流的平均值 i1(ave)与i1的最大值 i1p如式(14)，由变压器的伏秒平衡原则[7]，得出式(15)，同时变压器主要参数易于计算。

根据实际应用的经验，取 Ns=4，则 Np=71。若令 Nb最小驱动电压Vb=6 V，可得出Nb=3。

3.2 RCC稳压电路的计算

主管Tr1处于OFF状态的情况下，稳压电路支路开始工作，此时由变压器匝数比易得绕组Nb的电压Vb= 4.28 V。在图 2中由稳压管 Dz、主管 Tr1的基极-发射极、电阻 R2、电容 C5组成的回路中，忽略电阻 R2，可得稳压管Dz的电压Vz=Vbe+VC5=4.28 V。

4 结论

本文通过对RCC电路的工作原理及其基极驱动部分进行分析与说明，在作了近似与简化前提下，具体分析和计算了变压器工作效率、连接稳压二极管目的及其如何工作、输出电压的精度及其与稳压二极管的精度如何构成联系；在RCC电路选取了振荡占空比、振荡频率等参数的分析和计算；提出了基极驱动的恒流设计的解决办法；对输出为5 V/0.3 A的 RCC电路进行了实例分析与计算，并对一种新型RCC电路的充电器进行了简要的结构分析，得出RCC电路具有成本低廉、性能优越、效率高效等优点。通过一系列的研究与改进，新型RCC电路的优势能得到大幅度的提高，应用领域将会得以扩大。

[1]樊晓东.RCC电路原理分析与设计[J].电源世界，2007(1)：20-22.

[2]马婷，叶军.RCC电路在航空变压整流直流电源中的应用研究[J].电源学报，2012(6)：27-31.

[3]房媛媛，秦会斌.反激式开关电源传导干扰的 Saber建模仿真[J].电子器件，2014，31(5)：958-961.

[4]肖芳，孙力.功率变换器多开关状态下的传导电磁干扰预测[J].中国电机工程学报，2013，33(3)：176－183.

[5]Guo Yanjie，Wang Lifang，Liao Chenglin.Modeling and analysis of conducted electromagnetic interference in electric vehicle power supply system[J].Progress in Electromagnetic Research，2013(139)：193－209.

[6]高海翔.一种新型 RCC式开关电源及应用[J].电子器件，2008，31(6)：1887-1890.

[7]高明普，杨勇，孔令斌.二阶压控电源低通滤波器设计[J].电子技术，2010，47(3)：79-81.

[8]郑园，杨勇，贾东亮，等.压控电压源二阶巴特沃斯高通滤波器的优化设计[J].电子技术，2012，39(2)：34-37.

[9]王震，唐军，杨萌福.基于功率MOSFET管的RCC电路[J].电子技术应用，2007，33(4)：131-133.

[10]王伟，王立杰，张文杰.一种用于多电平逆变器开关驱动的RCC变换器[J].微计算机信息，2008，24(8)：277-279.

[11]李永超，杨金明，李琳琳.一种新型反激变换器的研究[J].微计算机信息，2006，22(35)：257-258.

[12]刘燕，瞿超，鲁明丽.基于 TOP243Y的多路输出开关电源高频变压器的优化设计[J].功能材料与器件学报，2013，19(6)：284-288.

[13]谢帆，张波，杨汝.基于安匝和的隔离式开关变换器霍普夫分岔与准周期现象研究[J].电子学报，2013，41(9)：1778-1783.

[14]Shi Guodong，Cao Qiujuan，Bao Bocheng，et al.Dynamics and operation-state estimation of current-mode controlled fly back converter[J].Journal of Electronic Science and Technology of China，2013，11(3)：306-311.

[15]余凯，廖惜春.反激式开关稳压电源传导干扰研究[J].通信电源技术，2012，29(2)：12－15，37.

Analysis and research on intermittent oscillatory of RCC circuit

Jiang Junhua，Hou Weizhou
(Physics and Electronics College,Henan University，Kaifeng 475004，China)

RCC circuit is a kind of high efficient working circuit by use of several devices,but excessive control current will cause the occur of intermittent oscillation，and the oscillation frequency of the circuit changes in the large scope from hundreds of hertz to several thousand hertz.The output power is more likely to make the transformer device to produce abnormal noise.But this phenomenon are not completely useless，after improving the RCC circuit，it can be concluded that the circuit can start in applying a pulse signal if the output power is small.The switch circuit operates in low-power state by means of intermittent oscillation.The result is that RCC circuit has high performance price ratio and low cost,so it is widely popular in high performance power supply equipment.

RCC；intermittent oscillation；low-power

TN702

：A

：0258-7998(2015)03-0126-04

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.03.033

2014-10-30)

蒋俊华(1982-)，女，讲师，主要研究方向：电子电路。

国家青年科学基金项目(11103002)

侯卫周(1974-)，通信作者，男，副教授，主要研究方向：电子线路应用与分析，E-mail：hwz204@163.com。