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利用分立元器件搭構(gòu)的反激式DC/DC變換的拓撲

發(fā)布時間:2013-01-07 責(zé)任編輯:Lynnjiao

【導(dǎo)讀】由于反激變換器的電路拓撲簡單,輸出與輸入電氣隔離,能高效提供多組直流輸出,升降壓范圍寬,因此在中小功率場合得到廣泛應(yīng)用。本文利用反激變換器的特點,設(shè)計了利用分立元器件搭構(gòu)的驅(qū)動控制電路,驅(qū)動反激變換器,為日后的集成化作準(zhǔn)備。

驅(qū)動控制電路拓撲
   
圖1中,V8為振蕩電路產(chǎn)生的振蕩脈沖,其占空比為50%,由該脈沖決定開關(guān)器件的工作頻率。V1為原邊電流采樣電阻上的壓降,V2為輸出電壓的反饋值,V3是用于驅(qū)動開關(guān)管的信號。V2經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器進行誤差放大后輸入到比較器的反向端,與輸入到比較器同向端的經(jīng)過誤差放大后的V1值進行比較,從而決定V3的脈寬大小。邏輯電路產(chǎn)生的信號經(jīng)過輸出級后用來驅(qū)動MOSFET的開通和關(guān)斷,該信號(V3)的占空比與輸出電壓的反饋值V2成反比,實現(xiàn)電壓反饋式的控制環(huán),同時,該信號的占空比還與輸入的直流電壓值成反比,以實現(xiàn)電路的前饋控制。V3信號由經(jīng)過放大后的原邊電流的采樣電阻上的電壓值和經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓的反饋值共同來控制。圖2為各個反饋信號的誤差放大值、振蕩脈沖V8以及MOSFET的驅(qū)動信號V3波形。圖2中1)為振蕩脈沖V8的波形,2)為驅(qū)動信號V3的波形,3)、4)為電壓反饋和電流反饋值經(jīng)過誤差放大后的波形(V2和V1的波形)。

PWM邏輯電路及輸出電路
圖1:PWM邏輯電路及輸出電路   

由圖2可知,當(dāng)反饋電流的誤差放大值V1大于反饋電壓的誤差值V2時,比較器就輸出高電平,驅(qū)動信號變成低電平,使MOSFET管關(guān)斷,直到下一個振蕩脈沖到來,MOSFET管才開通,因而可以看出,該電路采用的是電流的峰值控制。

PWM波形圖
圖2 :PWM波形圖  

圖3為啟動電路圖。

啟動電路圖
圖3 :啟動電路圖

該啟動電路由雙極性晶體管Q1,穩(wěn)壓二極管D1,D3和二極管D2以及電容C1構(gòu)成。在電路啟動的初期,輸入的直流電源通過雙極性晶體管Q1給電容C1充電,使電路開始工作。等到反饋的電壓值Feedback比電路中的穩(wěn)壓二極管D1的穩(wěn)壓值大時,雙極性晶體管Q1被關(guān)斷,該電路停止工作。PWM比較器的工作電壓由Feedback信號提供。這種電路的優(yōu)點是可以有效地減小損耗,而很多國外產(chǎn)品的啟動電路是由大電阻和電容構(gòu)成,因而在電阻上將會有一定的損耗。
   
在圖1的驅(qū)動控制電路中,我們還可以看到,該電路有逐周電流檢測功能。逐周的峰值漏極電流限制電路以原邊電流的采樣電阻作為檢測電阻。器件內(nèi)部的PI調(diào)節(jié)器的輸出值設(shè)有+5V的電壓限制,而采樣電阻上的電壓值放大5倍后與PI調(diào)節(jié)器的輸出值進行比較,故設(shè)計電路時就可以精確地計算出電流峰值,通過選定采樣電阻值和原副邊的匝數(shù)比來進行電流限制。當(dāng)MOSFET的漏極電流太大使采樣電阻上的壓降放大后超過+5V的閾值時,MOSFET就會被關(guān)斷,直到下一個時鐘周期開始。

動態(tài)性能試驗
   
1)負載變化時輸出電壓的動態(tài)特性
   
當(dāng)負載變化時,輸出電壓也在瞬間變化,然后反饋到控制引腳,器件內(nèi)部的控制電路就會做出相應(yīng)的調(diào)整,改變MOSFET器件開關(guān)的占空比,以實現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定的目的。
   
圖4(a)是負載變小時輸出電壓波形的變化情況。負載變小,輸出電壓變大,導(dǎo)致電壓反饋的誤差放大值變小,脈寬調(diào)制器的輸出波形的占空比變小,使輸出電壓變小,最終使輸出電壓趨向于穩(wěn)定值。此時,輸出電壓的反饋值為+5V。
   
圖4(b)是負載變大時的輸出電壓波形。同理,可以分析出輸出電壓的變化過程。

負載變化時輸出電壓的動態(tài)特性圖
圖4:負載變化時輸出電壓的動態(tài)特性圖 

在同一個輸入電壓不同負載情況下MOSFET器件的uDS的波形如圖5所示。

負載變化時開關(guān)管的uds波形
圖5:負載變化時開關(guān)管的uds波形

圖5上半部分是負載為40Ω時的波形,圖5下半部分是負載為30Ω時的波形。由圖5可知,在不同負載下,MOSFET器件開關(guān)的占空比是不相同的,負載大則MOSFET器件的導(dǎo)通時間長。
   
2)輸入電壓變化時輸出電壓的動態(tài)特性
   
當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時,輸出電壓也會在瞬間隨著發(fā)生變化,由于輸入電壓的變化直接導(dǎo)致輸入電流的變化,在電流采樣電阻上的壓降的上升斜率隨著變化,可以直接導(dǎo)致輸出占空比的改變,同時,輸出電壓的反饋環(huán)節(jié)同樣起著調(diào)節(jié)作用。圖6為輸入電壓變化時輸出電壓的變化情況。
   
圖6(a)為輸入電壓由200V減小到150V時的輸出電壓的波形。從圖中可以看出,經(jīng)過短暫的時間調(diào)整后,輸出電壓重新趨向于穩(wěn)定值,并且輸出電壓的變化非常小。
   
圖6(b)為輸入電壓由150V變到200V時的輸出電壓波形。

輸入電壓變化時輸出電壓的動態(tài)特性
圖6 :輸入電壓變化時輸出電壓的動態(tài)特性

本文在給出反激電路拓撲的基礎(chǔ)上,通過實際的分立元器件搭構(gòu)實現(xiàn)該拓撲。給出多組試驗波形,以此分析了驅(qū)動控制電路的特點以及工作性能。試驗證明,這種電路控制方法簡潔,性能優(yōu)良。該電路不僅可以應(yīng)用于反激式電路,也可以應(yīng)用于正激式和其它DC/DC電路中。由于所有元器件由分立元器件搭構(gòu),這就為將來的集成化,以至最終研制芯片提供了基礎(chǔ),驗證了可行性。

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