單開(kāi)關(guān)(或稱單晶體管)正激轉(zhuǎn)換器是一種最基本類型的基于變壓器的隔離降壓轉(zhuǎn)換器，廣泛用于需要大降壓比的應(yīng)用,。這種轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)包括只需單顆接地參考晶體管,，及非脈沖輸出電流減小輸出電容的均方根紋波電流含量等。但這種轉(zhuǎn)換器的功率能力小于半橋或全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，且變壓器需要磁芯復(fù)位,，使這種轉(zhuǎn)換器的最大占空比限制在約50%,。此外，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)開(kāi)關(guān)的漏電壓變化達(dá)輸入電壓的兩倍或更多,，使這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較難于用在較高輸入電壓的應(yīng)用,。
圖1：正激轉(zhuǎn)換器不帶磁芯復(fù)位與帶磁芯復(fù)位之對(duì)比
正激轉(zhuǎn)換器中，變壓器的磁芯單方向磁化,，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期都需要采用相應(yīng)的措施來(lái)使磁芯復(fù)位到初始值,，否則勵(lì)磁電流會(huì)在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期增大，經(jīng)歷幾個(gè)周期后會(huì)使磁芯飽和,，損壞開(kāi)關(guān)器件,。相對(duì)而言，如果有磁芯復(fù)位,，電流就不會(huì)在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期增大,，電壓會(huì)基于勵(lì)磁電感(Lmag)反相并使磁芯復(fù)位。圖1以單開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器為例,，簡(jiǎn)要對(duì)比了無(wú)磁芯復(fù)位與有磁芯復(fù)位的電路圖及勵(lì)磁電感電流波形,。
有3種常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)磁芯復(fù)位技術(shù)，分別是三次繞組,，電阻,、電容、二極管(RCD)鉗位和雙開(kāi)關(guān)正激,。三次繞組磁芯復(fù)位技術(shù)的電路示意圖參見(jiàn)圖1b),，這種技術(shù)能夠提供大于50%的占空比，但開(kāi)關(guān)Q1的峰值電壓可能大于輸入電壓的2倍,，而且變壓器有三次繞組,，使變壓器結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。RCD鉗位磁芯復(fù)位技術(shù)也能使占空比大于50%,，但需要寫等式和仿真,，以檢驗(yàn)復(fù)位的正確性，讓設(shè)計(jì)過(guò)程更復(fù)雜,。RCD鉗位技術(shù)的成本比三次繞組技術(shù)低,，但由于復(fù)位電路中的鉗位電阻消耗能量，影響了電源轉(zhuǎn)換效率,。
圖2：雙開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器電路原理圖
與前兩種磁芯復(fù)位技術(shù)相比,，雙開(kāi)關(guān)正激更易于實(shí)現(xiàn)，而且開(kāi)關(guān)Q1上的峰值電壓等于輸入電壓,，降低了開(kāi)關(guān)所承受的電壓應(yīng)力,。這種技術(shù)需要額外的MOSFET (Q2)和高端驅(qū)動(dòng)器，且需要2個(gè)高壓低功率二極管(D3和D4),，參見(jiàn)圖2,。雙開(kāi)關(guān)正激技術(shù)的每個(gè)開(kāi)關(guān)周期包含3步：第1步,，開(kāi)關(guān)Q1、Q2及二極管D1導(dǎo)通,，二極管D2,、D3及D4關(guān)閉；第2步,，開(kāi)關(guān)Q1,、Q2及二極管D1關(guān)閉，而二極管D2,、D3及D4導(dǎo)通,；第3步，開(kāi)關(guān)Q1,、Q2及二極管D1仍然關(guān)閉,，二極管D2仍然導(dǎo)通，而二極管D3及D4則關(guān)閉,。
當(dāng)然,，采用這種技術(shù)后，轉(zhuǎn)換器就成了雙開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器,，它不同于單開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器，不需要特殊的復(fù)位電路就可以保證可靠的變壓器磁芯復(fù)位,，可靠性高,，適合更高功率等級(jí)。
NCP1252雙開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器演示板規(guī)格概覽
NCP1252是安森美半導(dǎo)體新推出的一款改進(jìn)型雙開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器,，適合于計(jì)算機(jī)ATX電源,、交流適配器、UC38XX替代及其它任何要求低待機(jī)能耗的應(yīng)用,，相關(guān)能效測(cè)試結(jié)果將在后文提及,。這器件也是一種固定頻率控制器，帶跳周期模式,，能夠提供真正的空載工作,。此外，NCP1252具有可調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率,，增強(qiáng)設(shè)計(jì)靈活性,；還帶有閂鎖過(guò)流保護(hù)功能，能夠承受暫時(shí)的過(guò)載,。其它特性還包括可調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng),、內(nèi)部斜坡補(bǔ)償、自恢復(fù)輸入欠壓檢測(cè)等,。
NCP1252與市場(chǎng)上不含輸入欠壓檢測(cè),、軟啟動(dòng)及過(guò)載檢測(cè)的UC384x系列器件相比,，提供這系列器件所不包含的這些功能(額外實(shí)現(xiàn)成本為0.07美元)，降低成本并提升可靠性,。
安森美半導(dǎo)體基于NCP1252構(gòu)建的演示板規(guī)格包括：
輸入電壓范圍：350至410 Vdc,；
輸出電壓：12 Vdc，精度±5%,；
額定輸出功率：96 W (8 A),；
最大輸出功率：120 W (每分鐘持續(xù)5秒)；
最小輸出功率：真正空載(無(wú)假負(fù)載),；
輸出紋波：50 mV峰值至峰值,；
最大瞬態(tài)負(fù)載階躍：最大負(fù)載的50%；
最大輸出壓降：250 mV (5 µs內(nèi)從輸出電流=50%到滿載(5 A到10 A)),。
NCP1252應(yīng)用設(shè)計(jì)：功率元件計(jì)算
1) 變壓器匝數(shù)比,、占空比及勵(lì)磁電感
首先計(jì)算變壓器在連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)下的匝數(shù)比N。
根據(jù)等式(1)可以推導(dǎo)出等式(2)：
其中,，Vout是輸出電壓,，η是目標(biāo)能效，Vbulk min是最小輸入電壓(即350 Vdc),，DCmax是NCP1252的最大占空比,，N是變壓器匝數(shù)比。
相應(yīng)我們也可以驗(yàn)證出高輸入線路電壓(410 Vdc)時(shí)最小占空比,，見(jiàn)等式(3)：
為了恰當(dāng)?shù)卮判緩?fù)位,，需要極小的勵(lì)磁電流來(lái)對(duì)繞組電壓反相。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則,，勵(lì)磁電流為初次峰值電流(Ip_pk)的10%,。其中，Ip_pk取值0.94,，這數(shù)值的計(jì)算過(guò)程參見(jiàn)后文,。變壓器勵(lì)磁電感的計(jì)算見(jiàn)等式(4)：
2) LC輸出濾波器
首先選擇交越頻率(fC)。因開(kāi)關(guān)噪聲緣故,，fC大于10 kHz時(shí)要求無(wú)噪聲布線,，難于設(shè)計(jì)。故不推薦在較高的頻率交越,，直接選定fC為10 kHz,。
如果我們假定由fC、輸出電容(Cout)及最大階躍負(fù)載電流(ΔIout)確定出ΔIout 時(shí)的最大壓降(Vout)為250 mV,，我們就能寫出下述等式：
我們選擇的是2顆松下FM系列的1,000 µF@16 V電容,。從電容規(guī)范中解析出：
Ic,rms=5.36 A @ TA=+105 ℃
RESR,low = 8.5 mW@ TA = +20 ℃
RESR,high = 28.5 mW@ TA = -10 ℃
這里有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則，就是選擇等式(6)計(jì)算出來(lái)的值一半的等效串聯(lián)電阻(ESR)電容：RESR,max= 22 mW@ 0 ℃。這個(gè)規(guī)則考慮到了電容工藝變化,，以及留出一些電源在極低環(huán)境溫度條件下啟動(dòng)工作時(shí)的裕量,。
最大峰值到峰值電流(ΔIL)的計(jì)算見(jiàn)等式(8)：
3) 變壓器電流
經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算(詳細(xì)計(jì)算過(guò)程參見(jiàn)參考資料3)，可以得到：次級(jí)峰值電流(IL_pk)為11.13 A,，次級(jí)谷底電流(IL_valley)為8.86 A,，初級(jí)峰值電流(Ip_pk)為0.95 A，初級(jí)谷底電流(Ip_valley)為0.75 A,，初級(jí)均方根電流(Ip,rms)為0.63 A,。
4) MOSFET
由于NCP1252是雙開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器，故作為開(kāi)關(guān)的功率MOSFET的最大電壓限制為輸入電壓,。通常漏極至源極擊穿電壓(BVDSS)施加了等于15%的降額因數(shù),，如果我們選擇500 V的功率MOSFET，降額后的最大電壓應(yīng)該是：500 V x 0.85 = 425 V,。我們選擇的功率MOSFET是采用TO220封裝的FDP16N50,，其BVDSS為500 V，導(dǎo)通阻抗(RDS(on))為0.434 Ω(@Tj=110℃),，總門電荷(QG)為45 nC,，門極至漏極電荷(QGD)為14 nC。
MOSFET的導(dǎo)電損耗,、開(kāi)關(guān)導(dǎo)通損耗計(jì)算見(jiàn)等式(13)到(14)：
其中,，交迭時(shí)間(Δt)由下列等式計(jì)算得出：
5) 二極管
次極二極管D1和D2維持相同的峰值反相電壓(PIV)，結(jié)合二極管降額因數(shù)(kD)為40%,，可以計(jì)算出PIV,，見(jiàn)等式(19)：
由于PIV<100 V，故能夠選擇30 A,、60 V、TO-220封裝的肖特基二極管MBRB30H60CT,。
二極管導(dǎo)通時(shí)間期間的導(dǎo)電損耗為：
Pcond,forward=IoutVfDCmax=10x0.5x0.45=2.25 W (20)
關(guān)閉時(shí)間期間的導(dǎo)電損耗為：
Pcond,freewheel=IoutVf(1-DCmin)=10x0.5x(1-0.39) =3.05 W (21)
NCP1252應(yīng)用設(shè)計(jì)：NCP1252元件計(jì)算
1) 用于選擇開(kāi)關(guān)頻率的電阻Rt
采用一顆簡(jiǎn)單電阻,，即可在50至500 kHz范圍之間選擇開(kāi)關(guān)頻率(FSW)。假定開(kāi)關(guān)頻率為125 kHz,，那么我們就可以得到：
其中,，VRt是Rt引腳上呈現(xiàn)的內(nèi)部電壓參考(2.2 V)。
2) 感測(cè)電阻
NCP1252的最大峰值電流感測(cè)電壓達(dá)1 V,。感測(cè)電阻(Rsense)以初級(jí)峰值電流的20%余量來(lái)計(jì)算,，其中10%為勵(lì)磁電流，10%為總公差：
3) 斜坡補(bǔ)償
斜坡補(bǔ)償旨在防止頻率為開(kāi)關(guān)頻率一半時(shí)出現(xiàn)次斜坡振蕩,，這時(shí)轉(zhuǎn)換器工作在CCM,，占空比接近或高于50%。由于是正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，重要的是考慮由勵(lì)磁電廠所致的自然補(bǔ)償,。根據(jù)所要求的斜坡補(bǔ)償(通常為50%至100%),，僅能夠外部增加斜坡補(bǔ)償與自然補(bǔ)償之間的差值。
目標(biāo)斜坡補(bǔ)償?shù)燃?jí)為100%,。相關(guān)計(jì)算等式如下：
內(nèi)部斜坡：
由于RcompCCS網(wǎng)絡(luò)濾波需要約220 ns的時(shí)間常數(shù),，故：
NCP1252演示板圖片及性能概覽
NCP1252演示板的詳細(xì)電路圖參見(jiàn)參考資料2,其頂視圖和底視圖則見(jiàn)圖3。
圖3：NCP1252演示板的頂視圖及底視圖
在室溫及額定輸入電壓(390 Vdc)條件下,，NCP1252演示板不同負(fù)載等級(jí)時(shí)的能效如圖4所示,。從此圖可以看出，負(fù)載高于40%最大負(fù)載時(shí),，工作能效高于90%,。這演示板還能藉在轉(zhuǎn)換器次級(jí)端同步整流，進(jìn)一步提升能效達(dá)幾個(gè)百分點(diǎn),。
圖4：NCP1252演示板在室溫及額定輸入電壓(390 Vdc)條件下的能效圖
如前所述,，NCP1252提供軟啟動(dòng)功能，其中一個(gè)目標(biāo)應(yīng)用就是替代UC38xx,。NCP1252有一個(gè)專用引腳,，支持調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間及控制啟動(dòng)期間的峰值。
另外,，NCP1252的待機(jī)能耗性能也很突出,。這器件能藉將輸入欠壓(BO)引腳接地來(lái)關(guān)閉，而關(guān)閉時(shí)VCC輸入端汲入的電流小于100 µA,。
總結(jié)：
本文介紹了正激轉(zhuǎn)換器磁芯復(fù)位技術(shù)的原理,，比較了三次繞組、RCD鉗位及雙開(kāi)關(guān)正激等常見(jiàn)的磁芯復(fù)位技術(shù),，分析了雙開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì),，并結(jié)合安森美半導(dǎo)體基于雙開(kāi)關(guān)正激磁芯復(fù)位技術(shù)的NCP1252固定頻率控制器，分享了這雙開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用設(shè)計(jì)過(guò)程,。這器件集成了輸入欠壓檢測(cè),、軟啟動(dòng)及過(guò)載檢測(cè)等眾多特性。測(cè)試結(jié)果顯示,，NCP1252提供極高的工作能效和極低的待機(jī)能耗,，適合UC38xx替代、ATX電源,、適配器及其它任何要求低待機(jī)能耗的應(yīng)用,。
參考資料：
1、An Improved 2-Switch Forward Converter Application, http://www.onsemi.com/pub/Collateral/TND378-D.PDF,，安森美半導(dǎo)體
2,、《改進(jìn)型雙開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器應(yīng)用》,，http://www.onsemi.com/pub/Collateral/F2S%20-%202%20Switch%20Forward%20Converter%20-%20bilingual.rev0.pdf，安森美半導(dǎo)體
3,、2 Switch forward Current Mode converter with the NCP1252,，http://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8373-D.PDF，安森美半導(dǎo)體