基于准谐振技术的反激式高压电源设计

裴子轩 吴一 黎坤

(中国航天第九研究院十六研究所,陕西西安 710100)

0 引言

近年来,开关电源朝着高频化的方向发展,伴随着开关频率的增加,开关管的导通损耗和关断损耗都会增加[1]。在各种变换器拓扑结构中,反激式变换器广泛应用于高电压、小功率场合,例如可用于激光陀螺高压电路中。反激式变换器的主要优点是不需要输出滤波电感,使反激式变换器成本降低,体积减小。由于输出端可不接滤波电感,该拓扑在高压不是很高的场合下很有优势。此外,反激式变换器不需要高压续流二极管,使它在高电压场合下应用更有利。本文利用L6565D准谐振芯片的控制和准谐振技术设计了一种反激式高压电源,电源电路通过原边励磁电感和开关管内部输出电容以及电路中的其他杂散电容产生谐振,经L6565D控制芯片检测开关管的电压应力情况后再提前或者滞后发出驱动,使得电压和电流避免交叉,即软开关技术[2],实现零电压导通和低电压导通,避免了导通时电流和电压的交叉,大大降低了MOS管的开关损耗,提高了变换器的效率,实现了电压的稳定输出。

图1 反激式电源基本拓扑结构

1 反激式电源拓扑结构及工作原理

图1为反激式电源的基本拓扑结构。当MOS管导通时,变压器原边电感电势为上正下负。由于同名端电势相同,此时副边电感电势为上负下正,二极管D1反向截止。当MOS管关断时,副边电感电势为上正下负,二极管导通,初级储存的能量传送到次级,提供负载电流,同时给输出电容充电。

想要使反激式电源工作在准谐振模式,首先应该保证其工作在DCM(不连续)模式。工作于DCM模式下的反激式变换器的初次级电流波形[3]如图2所示。

MOS管导通时,初级电流线性上升,斜率为:

其中,Vin为输入电压,V;L1为初级励磁电感,H。在导通结束前,初级电流上升达到:

式中Ipeak为峰值电流,A;Ton为开关管导通时间,s。此时变压器储存的能量为:

开关管导通时,一个周期内直流母线电压提供的功率为:

式中,T为开关管的开关周期,s。

图2 不连续模式下反激式变换器初次级电流波形

图3 准谐振反激式电源原理图

2 准谐振反激式电源

准谐振反激式电源原理如图3所示。其中,R1为变压器初级电感的等效电阻,Lleak为原边等效漏感量,Coss为MOS管的外部输出电容。当发生准谐振时,原边能量全部传递给副边,初级电感L1和Coss开始谐振。当MOS管关断时,次级绕组将能量全部释放至输出端,变压器完成磁通复位。电感Lleak和电容Coss会使Vds产生第一个尖峰振荡,振荡的幅度与漏感大小有关。对于常规的反激式电源,其MOS管的开通和关断时间是固定的,但对于准谐振反激式电源来说,MOS管刚好在谐振的谷底导通,若选取合适的匝比,就可以实现零电压导通,使得导通时的下降电压和上升电流避免交叉,降低了开关损耗。准谐振反激式电源中L6565D控制芯片可以通过增加的一路辅助绕组来检测变压器退磁,当检测到变压器退磁时,芯片发出驱动信号使MOS管在电压至谷底时导通,完成准谐振工作过程。

3 L6565D芯片控制电路设计

L6565D与其他准谐振芯片相比,其优势在于具有电压前馈功能,提高了其抑制输入纹波的能力。当电路输入电压波动较大时,电路极易发生振荡。此时,通过电源输入侧的电阻分压后的电压进入芯片的反馈取样处,前馈电压将改变电路的电流调整点,因此当电路输入电压波动较大时,电路极易保持稳定[4]。

如图4所示,电阻R1和R2为分压电阻,选择合适的比例将电压反馈至引脚VFF。根据反馈的电压,其内部的限流点也会跟着调整,二者成线性关系,关系如图5所示。VCSX表示电流调整点上的控制电压,由数据手册得:

式中,VCS、VCOMP、VVFF为各引脚上的电压,V。

误差放大器的电压一般取VCOMP=5.6 V,上式可简化为:

VCC为芯片外部供电电压,V;R1,R2为分压电阻,Ω。

设电源的效率为80%,引脚CS的限流电阻大小理论值的计算依据:

式中,Po,Pin为输出,输入功率,W;η为电源效率。

得到原边峰值电流大小为:

所以限流电阻的大小为:

引脚ZCD连接的电阻R7起到了限流和分压的作用,其阻值会影响电压谷底导通的位置,后期可以根据测试情况对其阻值进行调节。

4 变压器设计

设计变压器时需遵循众多规则,必须注意设计顺序。首先应确定匝数比,因为匝数比决定了不考虑漏感尖峰时开关管可以承受的最大关断电压Vms(max)。当忽略漏感尖峰并设整流滤波电路中二极管压降为1V时,则直流输入电压最大时开关管的最大电压应力为:

参数选择应使Vms(max)尽可能的小,以确保当有0.3Vin的漏感尖峰叠加于Vms(max)时,对开关管的极限值仍留有30%的余量。

图4 控制电路原理图

其次,设计时要保证磁心不饱和且电路始终工作于DCM模式。为了保证电路工作于不连续模式,必须设定死区时间,即图2中的Tdt。即使Vin最低时对应的最大导通时间与复位时间之和也不超过整个周期的80%。假设MOS管和整流二极管的正向导通压降都是1V,则最大导通时间可根据下式确定:))

将以上两式联立得:

图5 VCSX 与VVFF 之间的关系曲线

图6 L6565D 内部结构图

式中,Ton为导通时间,Tr为复位时间,s;N1,N2为变压器初次级匝数。

设变换器的效率为80%,则计算初级电感量:

联立求得:

接下来计算初次级电流有效值和导线尺寸,初级电流为三角波,峰值为Ipeak,有效值为:

若取500圆密耳每有效值安培,则初级所需的总圆密耳数=500Irms(初级)。

次级电流也为三角波,峰值Is=Ipeak(N1/N2),周期为Tr,Tr=(T-Ton)次级电流有效值为:

若取500圆密耳每有效值安培,则初级所需的总圆密耳数=500Irms(次级)。

最后,用AP法[5]选择合适的磁芯尺寸:

其中Aw为磁芯窗口面积,cm2;Ae为磁芯截面积,cm2;L1为原边电感量,H;Ipeak为原边峰值电流,A;Bw为磁芯工作磁感应强度,T;K0为窗口使用系数(通常为0.4-0.6),Kj为电流密度,A/m2。原副边匝比为:

其中Vor为反射电压(开关管关断期间副边向原边耦合产生的电压),V;Vf为整流二极管的压降,V。

表1 L6565D 引脚功能

5 L6565D引脚功能及内部结构分析

图6为L6565D内部结构图。芯片内部集成有启动电路、零电流检测电路、电流检测比较器、电压误差放大器、RS锁存器等。

电路随着输入电压的波动极易产生振荡,会降低整体的稳定性,但L6565D可以通过线电压前馈进行补偿,这就保证了其输出功率的稳定[6]。且当传统准谐振芯片工作在轻载高频的状态下时,其电流过零检测难度高,但L6565D在轻载时具有一项特殊功能,该功能会自动降低工作频率以满足电路正常工作的需要,同时有助于保持较低的电源损耗。由于内部的5.2V稳压二极管和三极管VBE的0.65V电压的共同钳位作用[7],VZCD的最大值为5.2V,最小值为0.65V。特别地,如果向ZCD(引脚5)施加了低于1.6V的下降沿,则零电流检测模块将接通外部MOSFET。但是,为了确保抗高抗噪声扰度,触发电路在负向脉冲降至1.6V之前则被启动,且电压在下降至1.6V以下之前,引脚5上的电压必须经历一个超过2.1V的上升沿。在外部MOSFET关断之后,触发电路将消隐一定时间[8](大于3.5μs),用来阻止任何负向脉冲沿跟随漏感退磁,造成ZCD电路的误触发,并进入频率折返模式。所以MOSFET管的关断时间应该大于3.5μs,若小于3.5μs,开关管将会在第二个或者第三个谷底导通[9]。L6565D控制芯片的各引脚功能如表1所示。

图7 ZCD 引脚和GD 引脚的电压波形图

6 实验测试

根据激光陀螺高压电源的技术指标要求,激光陀螺的起辉电压在-2300V±200V范围内,维持电压的范围在-700V±100V,并且波动小于10V。

6.1 ZCD引脚和GD引脚电压

图7为L6565D控制芯片的ZCD引脚和GD引脚的电压波形图,通道一为ZCD引脚的波形图,通道二为GD引脚的波形图。由芯片的引脚功能分析可知,当ZCD引脚的下降沿电压低于1.6V时,会驱动方波脉冲输出,接通外部M O S F E T,并输出P W M 波,并且M O S F E T 关断后,触发电路至少消隐3.5μs。由波形图可以看出,在触发电路消隐的3.5μs内,即使ZCD引脚上的电压经历了一个下降沿到1.6V以下,GD引脚也会保持低电平而不会触发。借助芯片的ZCD引脚退磁检测功能,保证了开关电源在任意情况下(电压和输出电流在一定范围内变化)都可以准确检测到谷底的位置,使得开关管以最小的开关应力导通,降低了电压尖峰的干扰,同时实现了开关损耗的降低。

6.2 起辉及维持电压

由于起辉电压为高压,示波器无法直接测量,所以测量电源电压波形时,将20个1MΩ的电阻串联在一起,等效成一个阻值为20MΩ的电阻并联在激光陀螺两端,测量一个电阻两端的电压波形,并放大20倍,即为激光陀螺两端的电压波形。图8为一个1MΩ电阻两端的电压波形,将电压波形放大20倍可以得出结论:起辉瞬间,电压达到-2240V,经过9.6ms后陀螺被点亮,电压下降到-600V维持,激光陀螺稳定工作。

图8 1M Ω电阻两端的电压波形

6.3 交流纹波

纹波是叠加在直流电压中的交流分量,其频率与开关频率相同。当交流电压经过整流滤波电路后,通常会有剩余的交流成分,用数字表交流档可以测得其有效值。激光陀螺经起辉后达到稳定状态,高压电源的输出电压为-600V,用数字表测得其交流纹波有效值为363mV。

7 结语

本文利用L6565D准谐振芯片的控制和准谐振技术设计了一种反激式高压电源,包括电源的基本拓扑结构、控制电路的设计、变压器的设计以及L6565D控制芯片的分析。最后,经实验验证,含有L6565D准谐振控制芯片的激光陀螺高压控制电路,通过外部15V电源供电,可以为激光陀螺提供-2240V的负起辉高压将陀螺点亮,并稳定地提供-600V的维持电压,保证了激光陀螺的正常工作。