構(gòu)建反激變換器電路

時間：2024-12-12 20:24:53

關(guān)鍵字：調(diào)節(jié)器反激變換器電路晶體管變壓器 LM5160

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[導(dǎo)讀]在電子學(xué)中，調(diào)節(jié)器是一種能夠不斷調(diào)節(jié)輸出功率的裝置或機(jī)構(gòu)。在電源領(lǐng)域有不同種類的穩(wěn)壓器。但主要是，在直流到直流轉(zhuǎn)換的情況下，有兩種類型的穩(wěn)壓器可用：線性或開關(guān)。

在電子學(xué)中，調(diào)節(jié)器是一種能夠不斷調(diào)節(jié)輸出功率的裝置或機(jī)構(gòu)。在電源領(lǐng)域有不同種類的穩(wěn)壓器。但主要是，在直流到直流轉(zhuǎn)換的情況下，有兩種類型的穩(wěn)壓器可用：線性或開關(guān)。

線性穩(wěn)壓器使用阻性電壓降來調(diào)節(jié)輸出。由于這種線性調(diào)節(jié)器提供較低的效率，并以熱量的形式損失功率。開關(guān)穩(wěn)壓器使用電感、二極管和電源開關(guān)將能量從源轉(zhuǎn)移到輸出。

開關(guān)穩(wěn)壓器的類型

有三種類型的開關(guān)穩(wěn)壓器可用。

1. 升壓變換器(升壓調(diào)節(jié)器)

2. 降壓變換器(Buck穩(wěn)壓器)

3. 反激變換器(隔離調(diào)節(jié)器)

我們已經(jīng)解釋了升壓穩(wěn)壓器和降壓穩(wěn)壓器電路。在本教程中，我們將描述反激調(diào)節(jié)器電路。

降壓穩(wěn)壓器和升壓穩(wěn)壓器的區(qū)別在于，在降壓穩(wěn)壓器中電感、二極管和開關(guān)電路的放置與升壓穩(wěn)壓器不同。此外，在升壓穩(wěn)壓器的情況下，輸出電壓高于輸入電壓，但在降壓穩(wěn)壓器中，輸出電壓將低于輸入電壓。降壓拓?fù)浠蚪祲恨D(zhuǎn)換器是SMPS中最常用的基本拓?fù)渲弧．?dāng)我們需要將較高的電壓轉(zhuǎn)換為較低的輸出電壓時，這是一個普遍的選擇。

除了這些穩(wěn)壓器之外，還有另一種穩(wěn)壓器存在，這是所有設(shè)計人員普遍選擇的，這就是反激式穩(wěn)壓器或反激式變換器。這是一種通用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可用于需要從單個輸出電源獲得多個輸出的情況。不僅如此，反激拓?fù)湓试S設(shè)計者同時改變輸出的極性。例如，我們可以從單個轉(zhuǎn)換器模塊創(chuàng)建+5V， +9V和-9V輸出。兩種情況下的轉(zhuǎn)換效率都很高。

反激變換器的另一個特點(diǎn)是輸入和輸出的電氣隔離。為什么我們需要隔離?在某些特殊情況下，為了最小化功率噪聲和安全相關(guān)操作，我們需要隔離操作，其中輸入源與輸出源完全隔離。讓我們來探索一下基本的單輸出反激操作。

反激變換器的電路操作

如果我們看到基本的單輸出反激設(shè)計，如下圖所示，我們將確定構(gòu)建一個反激設(shè)計所需的基本主要組件。

一個基本的反激變換器需要一個開關(guān)，它可以是場效應(yīng)管或晶體管，變壓器，輸出二極管，電容器。

最主要的是變壓器。在了解實(shí)際的電路操作之前，我們需要了解變壓器的正確工作原理。

變壓器至少由兩個電感組成，稱為次級線圈和初級線圈，繞組在線圈前，中間有鐵芯。磁芯決定了磁通密度，這是將電能從一個繞組傳遞到另一個繞組的重要參數(shù)。另一個最重要的事情是變壓器的相位，在初級和次級繞組中顯示的點(diǎn)。

此外，正如我們所看到的，一個PWM信號通過晶體管開關(guān)連接。這是由于開關(guān)的關(guān)斷頻率和開斷時間。PWM代表脈沖寬度調(diào)制技術(shù)。

在反激式穩(wěn)壓器中，有兩種電路操作，一種是變壓器初級繞組充電時的開斷相，另一種是電能從初級繞組到次級繞組再到負(fù)載時的關(guān)斷或變壓器轉(zhuǎn)移相。

如果我們假設(shè)開關(guān)已經(jīng)關(guān)閉很長一段時間，電路中的電流為0，沒有電壓存在。

在這種情況下，如果開關(guān)打開，那么電流將增加，電感將產(chǎn)生電壓降，這是點(diǎn)負(fù)的，因?yàn)殡妷涸谥鼽c(diǎn)端更負(fù)。在這種情況下，由于核心產(chǎn)生的通量，能量流向次級。在次級線圈上，電壓在相同的極性上產(chǎn)生，但電壓與次級線圈與初級線圈的匝數(shù)比成正比。由于點(diǎn)負(fù)電壓，二極管被關(guān)閉，沒有電流將在二次流。如果電容在之前的開關(guān)- on周期中充電，輸出電容將只向負(fù)載提供輸出電流。

在下一階段，當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時，流過初級的電流減少，從而使次級點(diǎn)端更積極。與先前的開關(guān)ON階段相同，初級電壓極性也在次級電壓上產(chǎn)生相同的極性，而次級電壓與初級和次級繞組比成正比。由于點(diǎn)正端，二極管被打開，變壓器的二次電感為輸出電容和負(fù)載提供電流。電容器在ON周期中失去了電荷，現(xiàn)在它再次被重新填充，并且能夠在開關(guān)ON時間期間向負(fù)載提供充電電流。

在整個開關(guān)ON和OFF周期中，在輸入電源和輸出電源之間沒有電連接。因此，變壓器隔離了輸入和輸出。

有兩種模式的操作取決于開關(guān)的接通和關(guān)閉時間。反激變換器可以工作在連續(xù)模式或不連續(xù)模式。

在連續(xù)模式下，在一次充電之前，電流變?yōu)榱?，循環(huán)重復(fù)。另一方面，在不連續(xù)模式下，下一個周期只有在初級電感電流為零時才開始。

反激變換器的效率

現(xiàn)在，如果我們研究效率，也就是輸出功率與輸入功率的比率：

由于能量不能產(chǎn)生也不能消滅，它只能被轉(zhuǎn)換，所以大多數(shù)電能將未使用的電能轉(zhuǎn)化為熱能。在實(shí)際領(lǐng)域也沒有理想的情況。效率是選擇穩(wěn)壓器的一個重要因素。

開關(guān)穩(wěn)壓器的主要功率損耗因素之一是二極管。正向壓降乘以電流(Vf x i)是未使用的瓦數(shù)，它被轉(zhuǎn)換成熱量，降低了開關(guān)穩(wěn)壓器電路的效率。此外，它是熱/熱管理技術(shù)的電路的額外成本，如使用散熱器或風(fēng)扇來冷卻電路的散熱。不僅正向電壓下降，反向恢復(fù)對硅二極管也產(chǎn)生不必要的功率損失和降低整體效率。

避免標(biāo)準(zhǔn)恢復(fù)二極管的最好方法之一是使用肖特基二極管，它具有低正向壓降和更好的反向恢復(fù)。另一方面，開關(guān)已改為現(xiàn)代MOSFET設(shè)計，在緊湊和更小的封裝中提高了效率。

盡管開關(guān)穩(wěn)壓器具有效率高、設(shè)計技術(shù)平穩(wěn)、元件體積小、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，但仍被廣泛使用。

LM5160反激變換器的實(shí)例設(shè)計

我們將使用德州儀器的反激拓?fù)?。電路可以在?shù)據(jù)表中找到。

LM5160具有以下特點(diǎn)

?寬4.5V至65V輸入電壓范圍

?集成高側(cè)和低側(cè)開關(guān)

○不需要外部肖特基二極管

?2-A最大負(fù)載電流

?自適應(yīng)恒定準(zhǔn)時控制

○無外環(huán)補(bǔ)償

○快速瞬態(tài)響應(yīng)

?可選擇強(qiáng)制PWM或DCM操作

○FPWM支持多輸出buck

?幾乎恒定的開關(guān)頻率

○電阻可調(diào)至1mhz

?程序軟啟動時間

?Prebiased啟動

?±1%反饋電壓基準(zhǔn)

?LM5160A允許外部VCC偏置

?魯棒設(shè)計的固有保護(hù)特性

○峰值限流保護(hù)

○可調(diào)輸入UVLO和遲滯

○VCC和柵極驅(qū)動器UVLO保護(hù)

○具有滯后的熱停機(jī)保護(hù)

?使用LM5160A和WEBENCH®電源設(shè)計器創(chuàng)建定制設(shè)計

它支持從4.5V到70V的寬輸入電壓范圍，并提供2A的輸出電流。我們還可以選擇強(qiáng)制PWM或DCM操作。

LM5160的輸出

該IC沒有DIP封裝或易于焊接的版本，盡管這是一個問題，但I(xiàn)C節(jié)省了大量PCB空間以及比PCB散熱器更大的熱性能。引腳圖如圖所示。

絕對最大評級

我們需要注意IC的絕對最大額定值。

SS和FB引腳具有低電壓公差。

反激變換器電路圖及工作原理

通過使用LM5160，我們將基于以下規(guī)格模擬12V隔離電源。我們選擇電路是因?yàn)橹圃焐叹W(wǎng)站上提供了所有信息。

該原理圖使用了大量的組件，但理解起來并不復(fù)雜。輸入端的C6、C7和C8用于輸入電源的過濾。而R6和R10則用于欠壓鎖定相關(guān)目的。R7電阻器用于與接通時間相關(guān)的目的。這個引腳是可編程的使用一個簡單的電阻。橫跨SS引腳連接的C13電容器是軟啟動電容器。模擬地(AGND)和電源地(PGND)以及PAD與電源地連接。在右邊，C5, 0.01 uF電容器是一個引導(dǎo)電容器，用于柵極驅(qū)動器的偏置。R4， C4和C9是紋波濾波器，其中R8和R9為LM5160的反饋引腳提供反饋電壓。這兩個電阻的比例決定了輸出電壓。C10和C11用于初級非隔離輸出濾波。

一個主要的組成部分是T1。它是一個耦合電感器，兩側(cè)有一個60uH的電感器，初級和次級。我們可以選擇任何其他的耦合電感或特定的電感與以下規(guī)格

?匝比SEC:PRI = 1.5: 1

?電感= 60uH

?飽和電流= 840mA

?直流電阻PRIMARY = 0.071歐姆

?直流電阻SECONDARY = 0.211歐姆

?頻率= 150khz

C3用于EMI穩(wěn)定性。D1是轉(zhuǎn)換輸出的正向二極管，C1、C2是濾波帽，R2是啟動所需的最小負(fù)載。

那些想要定制電源規(guī)格并想要計算值的人，制造商提供了出色的Excel工具，您只需簡單地放入數(shù)據(jù)，Excel將根據(jù)數(shù)據(jù)表中提供的公式計算組件值。

制造商還提供了spice模型以及完整的原理圖，可以使用德州儀器自己的基于spice的仿真工具TINA-TI進(jìn)行模擬。下圖是使用廠商提供的TINA-TI工具繪制的原理圖。