DC-DC有源箝位正激拓?fù)浼夹g(shù)

圖1 48V分布式架構(gòu)

在過(guò)去幾年中,分布式電源系統(tǒng)開(kāi)始根據(jù)不同的應(yīng)用而的采用了不同的形式和形狀。對(duì)于不限制使用電池備份選項(xiàng)的應(yīng)用(如網(wǎng)絡(luò)和一些電信局端的應(yīng)用)而言,12V和24V母線系統(tǒng)已被廣泛采用。使用更低的母線電壓增加了母線電流,功率較低的系統(tǒng)是可以接受的。有了分布式電源系統(tǒng),板上DC-DC轉(zhuǎn)換無(wú)需隔離,而且簡(jiǎn)化了實(shí)現(xiàn)方法。另一方面,由于輸出電壓接近1V,從 48V到1V的轉(zhuǎn)換并不是非常有效和經(jīng)濟(jì),許多系統(tǒng)現(xiàn)在都包含中間電源架構(gòu)。

二、DC-DC變換器的設(shè)計(jì)考慮

無(wú)論分布式電源系統(tǒng)中的DC-DC變換器是否產(chǎn)生最終邏輯電壓(如3.3V 或 2.5V)或上文提及的中間母線電壓,這種類(lèi)型的功率變換器均需要進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)考慮。這些變換器傾向于具有特殊的元件高度限制、隔離要求、效率要求和尺寸限制,這些都要求在變換器設(shè)計(jì)的方方面面都采用創(chuàng)新的方法。

設(shè)計(jì)這類(lèi)變換器的首要考慮事項(xiàng)應(yīng)該是選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于傳統(tǒng)的正激或反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成本較低,設(shè)計(jì)中可以考慮加以采用,但是它們?cè)诠β蕚鬏斈芰ι鲜艿较拗?而且硬切換也影響了效率。由于轉(zhuǎn)換效率取決于最優(yōu)的變壓器核心使用率,這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只在一個(gè)方向激發(fā)變壓器核心,從而限制了功率通過(guò)率。另一方面,真正的雙端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如半橋和推拉式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))允許更小的輸出電感和完全的變壓器利用率。盡管這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要兩個(gè)開(kāi)關(guān),但在高功率變換器中,通常還是采用這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。半橋促使高端驅(qū)動(dòng)的要求,而推拉則在開(kāi)關(guān)上施加雙倍的最大輸入電壓。

在上述所有方法中,MOSFET的硬切換導(dǎo)致泄漏電感能量的耗散。當(dāng)與低輸出電壓變換器一起工作時(shí),泄漏能量會(huì)非常高(因?yàn)樵褦?shù)比高)。因此,在許多中高功率電源應(yīng)用中,使用由NCP1560驅(qū)動(dòng)的有源箝位正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有很大的實(shí)際意義。 圖2給出了有源箝位變換器的原理圖。從圖中可以看出,它要求在傳統(tǒng)的正激變換器上增加一個(gè)有源開(kāi)關(guān)(M4)和一個(gè)電容(Cclamp),同時(shí)去除了復(fù)位繞組和二極管。下文中將對(duì)這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

圖2 有源箝位變換器

三、有源箝位變換器

如圖2所示,有源箝位拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是正激變換器的延伸。但是,增加了開(kāi)關(guān)M4、電容Cclamp和相應(yīng)的控制電路(如NCP1560 IC),這樣使電路又具有了諸多新的優(yōu)勢(shì)。為了理解這些優(yōu)勢(shì),現(xiàn)在詳細(xì)介紹一下變換器是如何工作的。變換器的主要工作原理與正激變換器相似,也就是說(shuō),當(dāng)開(kāi)關(guān)M1打開(kāi)時(shí),功率從輸入向輸出傳輸。在M1關(guān)閉時(shí),輸出電感向輸出提供能量,其功率轉(zhuǎn)換方程為

Vout=Vin×D/N (1)

其中：D為占空比,N為變壓器匝數(shù)比。有源箝位變換器在工作中的主要特點(diǎn)是：當(dāng)開(kāi)關(guān)M1關(guān)閉時(shí),開(kāi)關(guān)M4打開(kāi)(經(jīng)過(guò)一段可調(diào)的延遲后),并且在M1的整個(gè)關(guān)閉階段中保持打開(kāi)。在穩(wěn)態(tài)中,電容Cclamp上的電壓 (Vcl) Vin×D=(Vcl－Vin)×(1－D) (2)

如方程(2)所示,Vcl 電壓提供了變壓器繞組的復(fù)位,且不需要復(fù)位繞組。由于不同于傳統(tǒng)正激變換器的復(fù)位電壓即為輸入電壓(假設(shè)初級(jí)和復(fù)位繞組之間的比是1:1),在這種情況下,復(fù)位電壓和復(fù)位間隔都與工作條件相匹配。換句話說(shuō),在主開(kāi)關(guān)M1的整個(gè)關(guān)閉階段都可以獲得復(fù)位電壓。當(dāng)輸入電壓Vin低而占空比D高時(shí),復(fù)位電壓趨向于高,而在輸入電壓Vin高時(shí),情況正好相反。因此,當(dāng)Vin改變時(shí),Vcl 電壓(即Vin+復(fù)位電壓)變化不會(huì)太大。從圖2中也可以發(fā)現(xiàn),當(dāng) M1關(guān)閉時(shí),箝位電路(M4和Cclamp)會(huì)將M1上的電壓鉗制為Vcl。因此,M1上的電壓在線路電壓變化中保持相對(duì)穩(wěn)定。這與正激變換器正好相反, 在正激變換器中M1上的電壓等于2Vin。

此外,在正激變換器的情況下,最大占空比Dmax不再限于50%。理論上,對(duì)于任何非100%占空比,箝位電壓均可以調(diào)整以提供足夠的復(fù)位電壓。圖3給出了最大占空比和匝數(shù)比選擇,從圖中可以看出,高占空比和箝位電壓之間有清楚的權(quán)衡。高占空比使匝數(shù)比(N)可以更高,從而導(dǎo)致較小的初級(jí)電流和較低的次級(jí)電壓。然而,當(dāng)占空比太高時(shí),Vcl(和M1上的電壓)也會(huì)變高。對(duì)于每種引用,Dmax和匝數(shù)比的選擇由系統(tǒng)要求決定。在某些情況下,可能需要較高的初級(jí)電壓,以便減小輸出整流器上的電壓額定值,而在其他一些情況下,限制初級(jí)電壓則可能更為重要。

有源箝位電路給系統(tǒng)帶來(lái)了一些新的優(yōu)點(diǎn)。

在許多大電流系統(tǒng)中,次級(jí)中需要同步整流(用MOSFET代替肖特基或其他整流器)。有了有源箝位電路后,同步整流器開(kāi)關(guān)(M2和M3)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以直接來(lái)自次級(jí)繞組, 如圖4所示。因?yàn)橥秸髌魇亲则?qū)動(dòng)的,驅(qū)動(dòng)次級(jí)開(kāi)關(guān)M2和M3不產(chǎn)生任何功率損失。在傳統(tǒng)的正激變換器中,因?yàn)樵诓糠珠_(kāi)關(guān)周期中繞組上的電壓為零,所以M2的驅(qū)動(dòng)必須單獨(dú)產(chǎn)生。

增加了有源箝位電路也使得變壓器中的磁化電流可以在兩個(gè)方向上流動(dòng)。這樣,變壓器核心得到了更好的利用(第一和第三象限是相等旋轉(zhuǎn)的)。這使得在頻率和總通量擺幅相同的情況下,核心損失較低。這種特性使有源箝位電路與雙端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如橋式和推拉結(jié)構(gòu))相似,但依然使用一個(gè)電源開(kāi)關(guān)。

最后,有源箝位電路最重要的優(yōu)點(diǎn)之一是能夠使用泄漏電感能量,并能夠?qū)崿F(xiàn)初級(jí)開(kāi)關(guān)軟打開(kāi)。通過(guò)調(diào)整關(guān)閉一個(gè)初級(jí)開(kāi)關(guān)(M1或M4)和打開(kāi)另一個(gè)開(kāi)關(guān)(M4或M1)之間的定時(shí),漏級(jí)電壓可以在開(kāi)關(guān)打開(kāi)之前諧振到低值。這樣不僅減少了打開(kāi)損耗,還減少了電路中的振鈴和EMI。

四、功率級(jí)的設(shè)計(jì)考慮

為優(yōu)化有源箝位電路的設(shè)計(jì),功率和控制級(jí)的元件選擇非常重要。對(duì)于功率級(jí)而言,應(yīng)謹(jǐn)慎地選擇和設(shè)計(jì)變壓器、初級(jí)開(kāi)關(guān)、箝位電容和次級(jí)開(kāi)關(guān)。

如前一節(jié)所示,功率級(jí)的設(shè)計(jì)從選擇變壓器匝數(shù)比和最大占空比開(kāi)始。在大電流 DC-DC變換器中,應(yīng)該盡力減小變壓器次級(jí)匝數(shù)(理想情況為1)。這樣不但能防止銅損耗,而且也使變壓器便于構(gòu)造。次級(jí)匝數(shù)為1時(shí),初級(jí)匝數(shù)等于匝數(shù)比N,注意, 匝數(shù)必須是整數(shù)。如果開(kāi)始計(jì)算時(shí)未假設(shè)一個(gè)整數(shù)N,則要求重新計(jì)算Dmax和Vds電壓,而N等于初始選擇以下最大的整數(shù)。由于有源箝位變換器利用變壓器磁化和泄漏能量來(lái)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān),因此允許核心中有間隔,并且有意識(shí)的減少磁化電感是有意義的。

電源開(kāi)關(guān)根據(jù)最大電壓額定值和電流要求進(jìn)行選擇。如前文中所述,M1和M4上的峰值電壓相等。除了穩(wěn)態(tài)電壓以外,Vds具有低頻紋波,由變壓器磁化電流和箝位電容Cclamp的值確定。M1中的峰值電流等于輸出電流除以匝數(shù)比,其RMS值為Ipk×D0.5。M4中的電流是M1關(guān)閉階段中的磁化電流,通常要小得多。因此,M4 Rds-on可以比M1 Rds-on高得多。如圖4所示,M4 是一個(gè)p-溝道MOSFET,如果它連接到Vin而不是連接到地,也可以選擇n-溝道。但是,n-溝道M4要求浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖5 NEP1560框圖

箝位電容值也涉及到保持Vds低紋波以及更好地瞬態(tài)響應(yīng)線路電壓變化之間的權(quán)衡。低Cclamp值增加紋波,但是在輸入電壓改變時(shí),允許復(fù)位電壓更快達(dá)到穩(wěn)態(tài)。建議Cclamp的選擇使Vds上得到大約10%的紋波。 任何更高的電容值會(huì)導(dǎo)致變壓器瞬態(tài)飽和。

通常選擇次級(jí)開(kāi)關(guān)以使導(dǎo)通損耗最小,而且應(yīng)該選擇最低可用的Rds-on值。這些開(kāi)關(guān)上的電壓額定值通常必須足夠低(M3上的Vin/N以及M2上的Vreset/N),以便使用溝道或等效的技術(shù)MOSFETs。

五、控制的設(shè)計(jì)考慮

如上所述,與傳統(tǒng)的正激變換器相比,使用有源箝位的正激變換器擁有明顯的優(yōu)勢(shì)。但是,這種變換器要求為有源箝位開(kāi)關(guān)提供額外的控制信號(hào)和緊湊的最大占空比控制。針對(duì)有源箝位拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的獨(dú)特要求,安森美半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)了NCP1560電壓模式控制器。此控制器包含了其他傳統(tǒng)PWM控制器中所沒(méi)有的廣泛特性,實(shí)現(xiàn)了高度集成化。這使NCP1560所需要配置的外接元件達(dá)到最少。實(shí)際上,它的大多數(shù)特性通過(guò)單個(gè)電阻或電容進(jìn)行設(shè)置。

圖6 變換器原理圖

NCP1560 提供2個(gè)互補(bǔ)的具有可調(diào)重疊延遲的控制輸出。圖5為NCP1560的原理框圖,描述了此控制器的全部功能。輸出1可以用于控制主開(kāi)關(guān),輸出2可以用于控制有源箝位開(kāi)關(guān)或同步整流拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu)。 輸出設(shè)計(jì)用于互補(bǔ)用途。輸出2 不反相,可以用于控制使用p-溝道MOSFET的有源箝位。NCP1560的特性包括：一個(gè)前饋斜升電壓發(fā)生器、可編程軟啟動(dòng)和高壓?jiǎn)?dòng)穩(wěn)壓器。在各種故障情況下,通過(guò)欠壓或過(guò)壓檢測(cè)器的單條線路提供保護(hù),此檢測(cè)器具有滯后、可調(diào)最大占空比限制和雙模式電流限制(包括逐周期和跳周期)的功能。如果檢測(cè)到嚴(yán)重的過(guò)流情況,跳周期特性在CSKIP引腳上電容確定的時(shí)間內(nèi)禁用變換器。