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利用分立元器件搭构的反激式DC/DC变换的拓扑

发布时间:2024-05-18 发布时间:
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【导读】由于反激变换器的电路拓扑简单,输出与输入电气隔离,能高效提供多组直流输出,升降压范围宽,因此在中小功率场合得到广泛应用。本文利用反激变换器的特点,设计了利用分立元器件搭构的驱动控制电路,驱动反激变换器,为日后的集成化作准备。

驱动控制电路拓扑
   
图1中,V8为振荡电路产生的振荡脉冲,其占空比为50%,由该脉冲决定开关器件的工作频率。V1为原边电流采样电阻上的压降,V2为输出电压的反馈值,V3是用于驱动开关管的信号。V2经过PI调节器进行误差放大后输入到比较器的反向端,与输入到比较器同向端的经过误差放大后的V1值进行比较,从而决定V3的脉宽大小。逻辑电路产生的信号经过输出级后用来驱动MOSFET的开通和关断,该信号(V3)的占空比与输出电压的反馈值V2成反比,实现电压反馈式的控制环,同时,该信号的占空比还与输入的直流电压值成反比,以实现电路的前馈控制。V3信号由经过放大后的原边电流的采样电阻上的电压值和经过PI调节器的输出电压的反馈值共同来控制。图2为各个反馈信号的误差放大值、振荡脉冲V8以及MOSFET的驱动信号V3波形。图2中1)为振荡脉冲V8的波形,2)为驱动信号V3的波形,3)、4)为电压反馈和电流反馈值经过误差放大后的波形(V2和V1的波形)。


图1:PWM逻辑电路及输出电路   

由图2可知,当反馈电流的误差放大值V1大于反馈电压的误差值V2时,比较器就输出高电平,驱动信号变成低电平,使MOSFET管关断,直到下一个振荡脉冲到来,MOSFET管才开通,因而可以看出,该电路采用的是电流的峰值控制。


图2 :PWM波形图  

图3为启动电路图。


图3 :启动电路图

该启动电路由双极性晶体管Q1,稳压二极管D1,D3和二极管D2以及电容C1构成。在电路启动的初期,输入的直流电源通过双极性晶体管Q1给电容C1充电,使电路开始工作。等到反馈的电压值Feedback比电路中的稳压二极管D1的稳压值大时,双极性晶体管Q1被关断,该电路停止工作。PWM比较器的工作电压由Feedback信号提供。这种电路的优点是可以有效地减小损耗,而很多国外产品的启动电路是由大电阻和电容构成,因而在电阻上将会有一定的损耗。
   
在图1的驱动控制电路中,我们还可以看到,该电路有逐周电流检测功能。逐周的峰值漏极电流限制电路以原边电流的采样电阻作为检测电阻。器件内部的PI调节器的输出值设有+5V的电压限制,而采样电阻上的电压值放大5倍后与PI调节器的输出值进行比较,故设计电路时就可以精确地计算出电流峰值,通过选定采样电阻值和原副边的匝数比来进行电流限制。当MOSFET的漏极电流太大使采样电阻上的压降放大后超过+5V的阈值时,MOSFET就会被关断,直到下一个时钟周期开始。

动态性能试验
   
1)负载变化时输出电压的动态特性
   
当负载变化时,输出电压也在瞬间变化,然后反馈到控制引脚,器件内部的控制电路就会做出相应的调整,改变MOSFET器件开关的占空比,以实现输出电压稳定的目的。
   
图4(a)是负载变小时输出电压波形的变化情况。负载变小,输出电压变大,导致电压反馈的误差放大值变小,脉宽调制器的输出波形的占空比变小,使输出电压变小,最终使输出电压趋向于稳定值。此时,输出电压的反馈值为+5V。
   
图4(b)是负载变大时的输出电压波形。同理,可以分析出输出电压的变化过程。


图4:负载变化时输出电压的动态特性图 

在同一个输入电压不同负载情况下MOSFET器件的uDS的波形如图5所示。


图5:负载变化时开关管的uds波形

图5上半部分是负载为40Ω时的波形,图5下半部分是负载为30Ω时的波形。由图5可知,在不同负载下,MOSFET器件开关的占空比是不相同的,负载大则MOSFET器件的导通时间长。
   
2)输入电压变化时输出电压的动态特性
   
当输入电压发生变化时,输出电压也会在瞬间随着发生变化,由于输入电压的变化直接导致输入电流的变化,在电流采样电阻上的压降的上升斜率随着变化,可以直接导致输出占空比的改变,同时,输出电压的反馈环节同样起着调节作用。图6为输入电压变化时输出电压的变化情况。
   
图6(a)为输入电压由200V减小到150V时的输出电压的波形。从图中可以看出,经过短暂的时间调整后,输出电压重新趋向于稳定值,并且输出电压的变化非常小。
   
图6(b)为输入电压由150V变到200V时的输出电压波形。


图6 :输入电压变化时输出电压的动态特性

本文在给出反激电路拓扑的基础上,通过实际的分立元器件搭构实现该拓扑。给出多组试验波形,以此分析了驱动控制电路的特点以及工作性能。试验证明,这种电路控制方法简洁,性能优良。该电路不仅可以应用于反激式电路,也可以应用于正激式和其它DC/DC电路中。由于所有元器件由分立元器件搭构,这就为将来的集成化,以至最终研制芯片提供了基础,验证了可行性。


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