【導(dǎo)讀】在許多離線交直流LED電源中，單級(jí)PFC反激式變換器仍然是優(yōu)選的拓?fù)漕愋?。這很大程度上是因?yàn)槠湓?shù)量少，成本低，并具有約90%的效率和很高的功率因數(shù)，在很寬的交流輸入電壓范圍內(nèi)具有很低的線路電流諧波(iTHD)。雖然工作在230-277V交流輸入范圍的應(yīng)用對(duì)漏-源最大額定電壓的要求高達(dá)800V，但只需要一個(gè)MOSFET開關(guān)。這種變換器中的另外一個(gè)關(guān)鍵元件是控制芯片。
許多專用的SMPS控制器適合這種應(yīng)用，它們價(jià)格不同，復(fù)雜度也不同，可根據(jù)要用到的調(diào)節(jié)類型提供不同的功能選項(xiàng)。為了實(shí)現(xiàn)不需要次級(jí)端反饋電路和光隔離器的變換器，初級(jí)端調(diào)節(jié)(PSR)是優(yōu)選的技術(shù)。它可以是初級(jí)電流調(diào)節(jié)，也可以是初級(jí)電壓調(diào)節(jié)，在不同情況下可以采用不同的控制方法。
隨著電流負(fù)載的增加，單級(jí)恒流調(diào)節(jié)PFC反激變換器需要使用大電容，因?yàn)檩敵鲭娏髦写嬖谶^多低頻紋波。在這種情況下，經(jīng)常選用兩級(jí)設(shè)計(jì)方法，即由具有恒壓調(diào)節(jié)功能的PFC反激式變換器做為前端，用于克服紋波問題的恒流調(diào)節(jié)降壓級(jí)電路做為后端。
在這種兩級(jí)解決方案中，前端PFC反激電路需要通過電壓調(diào)節(jié)為后端提供一個(gè)中間總線電壓，反激電路使用變壓器(更準(zhǔn)確地說是耦合電感)的輔助繞組提供用于調(diào)節(jié)輸出的電壓反饋。使用這種間接感應(yīng)方法可以在很寬的線路負(fù)載范圍內(nèi)達(dá)到±5%的精度，并且不需要任何光隔離器，因此對(duì)許多應(yīng)用來說這種方法很有吸引力。
恒壓PFC反激式變換器
與前向和LLC諧振變換器等SMPS拓?fù)湎啾龋醇ぴO(shè)計(jì)采用的元件數(shù)量較少，設(shè)計(jì)復(fù)雜度相對(duì)比較簡單。其它拓?fù)湟惨髢杉?jí)方法，一般要求從有源前端升壓功率因數(shù)校正級(jí)提供穩(wěn)定的直流總線電壓，這就解釋了為什么這些拓?fù)渲辉诟叨撕透吖β实燃?jí)的場合使用。作為升壓變換器的一種衍生產(chǎn)品，反激變換器實(shí)際上是進(jìn)行間接能量傳遞，即在初級(jí)MOSFET導(dǎo)通期間將能量存儲(chǔ)在電感中，當(dāng)MOSFET開關(guān)關(guān)斷時(shí)再釋放出來。其基本概念如圖1所示，完整的原理圖如圖2所示。在功率因數(shù)校正方面，交流線路輸入被饋送到一個(gè)橋式整流器，用于為轉(zhuǎn)換產(chǎn)生非平滑的直流總線電壓。
圖1：包含主要元件的反激式變換器架構(gòu)的基本概念圖
圖2：元件數(shù)最少的單級(jí)穩(wěn)壓反激式交直流變換器設(shè)計(jì)的完整原理圖
在這個(gè)例子中，IRS2982S控制器芯片工作在臨界導(dǎo)通模式(CrCM)。它使用變壓器輔助繞組向芯片提供所需的退磁信號(hào)，進(jìn)而觸發(fā)隨后的開關(guān)周期。這種特殊的控制器具有最小關(guān)斷時(shí)間限制，因此在輕負(fù)載條件下，它會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉沁B續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)。這樣可以限制其最大開關(guān)頻率，防止MOSFET、變壓器和緩沖器出現(xiàn)過熱。
當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)脈寬小于MOSFET高效開關(guān)所需的最小限值時(shí)，將自動(dòng)進(jìn)入突發(fā)模式工作。
內(nèi)部精密基準(zhǔn)和跨導(dǎo)型誤差放大器(OTA)用于關(guān)閉電壓調(diào)節(jié)環(huán)路，使得補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)連接到電路地，從而提供固有的軟啟動(dòng)功能。
另外，這種控制器芯片采用了一個(gè)全集成高壓啟動(dòng)電池，可以直接從整流后的交流線路向芯片供電，因此系統(tǒng)可以在任何交流輸入電壓條件下快速啟動(dòng)，并允許LED在不超過半秒的時(shí)間內(nèi)點(diǎn)亮。
耦合電感實(shí)現(xiàn)
常被稱為變壓器的耦合電感的設(shè)計(jì)是影響變換器效率的一個(gè)關(guān)鍵因素。真正的變壓器會(huì)直接傳遞能量，電流將同時(shí)流經(jīng)初級(jí)和次級(jí)。而在耦合電感中，電流在某個(gè)時(shí)刻只流經(jīng)一個(gè)繞組，繞組的匝比決定了從次級(jí)反映到初級(jí)的電壓。
為了優(yōu)化效率，初級(jí)泄漏電感應(yīng)盡可能低，最好是小于初級(jí)總電感量的3%。初級(jí)繞組的前一半采用的是“三明治結(jié)構(gòu)的初級(jí)繞組”技術(shù)，在完成后一半初級(jí)繞組之前先繞制次級(jí)和輔助繞組，這樣可以盡最大可能減小漏磁。高泄漏電感會(huì)在MOSFET漏極產(chǎn)生振鈴振蕩并引起高峰值電壓，這是由于存儲(chǔ)的泄漏能量在初級(jí)釋放而不是傳遞到輸出級(jí)造成的，進(jìn)而降低了變換器效率。這將給功率MOSFET和緩沖器網(wǎng)絡(luò)帶來一定的壓力。
反激式變換器設(shè)計(jì)過程
就本例中的變換器而言，耦合電感設(shè)計(jì)和其它元件值可以根據(jù)以下規(guī)范進(jìn)行計(jì)算：
表1：反激式變換器的參數(shù)
設(shè)計(jì)公式
設(shè)計(jì)公式
匝比等于：
輔助繞組到初級(jí)繞組的匝比等于：
輔助繞組到次級(jí)繞組的匝比等于：
輸出電容值可以根據(jù)允許的峰峰低頻電壓紋波進(jìn)行計(jì)算：
值得注意的是，即使?jié)M足了泄漏電感目標(biāo)要求，在開關(guān)關(guān)斷時(shí)仍不可避免地會(huì)出現(xiàn)一定程度的漏極電壓振鈴，并可能超過額定的MOSFET擊穿電壓。在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)重復(fù)發(fā)生的雪崩能量會(huì)縮短MOSFET壽命。為了避免這個(gè)問題，通常需要采用鉗位網(wǎng)絡(luò)或緩沖器。最常見的低成本解決方案是電阻-電容-二極管(RCD)鉗位電路，其中的電容形成穩(wěn)定的直流源，電阻用于耗散泄漏能量。
首先，緩沖器電阻值可以根據(jù)泄漏電感、峰值電流和理想的緩沖器電壓進(jìn)行計(jì)算：
電阻上的功耗等于：
然后根據(jù)下面的公式計(jì)算電容值：
這個(gè)電容值是根據(jù)緩沖器電容上的電壓紋波數(shù)量進(jìn)行計(jì)算的。
圖3：利用一個(gè)專門用于測試與驗(yàn)證的電子負(fù)載對(duì)裝配好的變換器進(jìn)行測試。
測試結(jié)果
圖4-7顯示了詳細(xì)的測試結(jié)果并對(duì)設(shè)計(jì)性能進(jìn)行了總結(jié)?？傊?，這是一種經(jīng)過驗(yàn)證的、可行的前端PFC反激式變換器設(shè)計(jì)方法，可以滿足使用兩級(jí)驅(qū)動(dòng)的中高電流負(fù)載LED的成本要求。 ?
圖4：直流總線和電流感測波形。
圖5：140VAC線路峰值時(shí)的MOSFET漏極電壓。
圖6：柵極驅(qū)動(dòng)(黃色)，漏極電壓(綠色)，電流感測(CS)引腳(藍(lán)色斜坡)，ZX引腳波形(紅色)。
圖7：開路COMP(綠色)和ZX(紫色)波形。
作者：Peter B. Green，Kali Naraharisetti，英飛凌公司
本文來源于電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
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