双开关正激转换器及其应用设计单开关或称单晶体管正激转换器是

双开关正激变换器及其应用设计单开关(或称单晶体管)正激变换器是一种最基本种类的基于变压器的隔断降压变换器，广泛用于需要大降压比的应用。这种变换器的优点包括只需单颗接地参照晶体管，及非脉冲输出电流减小输出电容的均方根纹波电流含量等。但这种变换器的功率能力小于半桥或全桥拓扑结构，且变压器需要磁芯复位，使这种变换器的最大占空比限制在约50%。其他，金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)开关的漏电压变化达输入电压的两倍或更多，使这种拓扑结构较难于用在较高输入电压的应用。正激变换器中，变压器的磁芯单方向磁化，在每个开关周期都需要采用相应的措施来使磁芯复位到初始值，否则励磁电流会在每个开关周期增大，经历几个周期后会使磁芯饱和，损坏开关器件。相对而言，若是有磁芯复位，电流就不会在每个开关周期增大，电压会基于励磁电感(Lmag)反相并使磁芯复位。图1以单开关正激变换器为例，简要比较了无磁芯复位与有磁芯复位的电路图及励磁电感电流波形。有3种常有的标准磁芯复位技术，分别是三次绕组，电阻、电容、二极管(RCD)钳位和双开关正激。三次绕组磁芯复位技术的电路表示图拜会图1b)，这种技术能够供应大于50%的占空比，但开关Q1的峰值电压可能大于输入电压的2倍，而且变压器有三次绕组，使变压器结构更复杂。RCD钳位磁芯复位技术也能使占空比大于50%，但需要写等式和仿真，以检验复位的正确性，让设计过程更复杂。RCD钳位技术的成本比三次绕组技术低，但由于复位电路中的钳位电阻耗资能量，影响了电源变换效率。图1：正激变换器不带磁芯复位与带磁芯复位之比较。与前两种磁芯复位技术对照，双开关正激更易于实现，而且开关Q1上的峰值电压等于输入电压，降低了开关所承受的电压应力。这种技术需要额外的MOSFET(Q2)和高端驱动器，且需要2个高压低功率二极管(D3和D4)，拜会图2。双开关正激技术的每个开关周期包括3步：第1步，开关Q1、Q2及二极管D1导通，二极管D2、D3及D4关闭；第2步，开关Q1、Q2及二极管D1关闭，而二极管D2、D3及D4导通；第3步，开关Q1、Q2及二极管D1依旧关闭，二极管D2依旧导通，而二极管D3及D4则关闭。图2：双开关正激变换器电路原理图。自然，采用这种技术后，变换器就成了双开关正激变换器，它不相同于单开关正激变换器，不需要特其他复位电路就可以保证可靠的变压器磁芯复位，可靠性高，适合更高功率等级。NCP1252双开关正激变换器演示板规格概览NCP1252是安森美半导体新推出的一款改进型双开关正激变换器，适合于计算机ATX电源、交流适配器、UC38XX取代及其他任何要求低待机能耗的应用，相关能效测试结果将在后文提及。这器件也是一种固定频率控制器，带跳周期模式，能够供应真切的空载工作。其他，NCP1252拥有可调治开关频率，增强设计灵便性；还带有闩锁过流保护功能，能够承受暂时的过载。其他特点还包括可调治软启动时长、内部斜坡补偿、自恢复输入欠压检测等。NCP1252与市场上不含输入欠压检测、软启动及过载检测的UC384x系列器件对照，供应这系列器件所不包括的这些功能(额外实现成本为0.07美元)，降低成本并提升可靠性。安森美半导体基于NCP1252成立的演示板规格包括：输入电压范围：350至410Vdc；输出电压：12Vdc，精度±5%；额定输出功率：96W(8A)；最大输出功率：120W(每分钟连续5秒)；最小输出功率：真切空载(无假负载)；输出纹波：50mV峰值至峰值；最大瞬态负载阶跃：最大负载的50%；最大输出压降：250mV(5μs内从输出电流=50%到满载(5A到10A))。NCP1252应用设计：功率元件计算变压器匝数比、占空比及励磁电感第一计算变压器在连续导电模式(CCM)下的匝数比N。依照等式(1)能够推导出等式(2)：(1)(2)其中，Vout是输出电压，η是目标能效，Vbulkmin是最小输入电压(即35Vdc)，DCmax是NCP1252的最大占空比，N是变压器匝数比。相应我们也能够考据出高输入线路电压(410Vdc)时最小占空比，见等式(3)：(3)为了适合地磁芯复位，需要极小的励磁电流来对绕组电压反相。依照经验法则，励磁电流为初次峰值电流(Ip_pk)的10%。其中，Ip_pk取值0.94，这数值的计算过程拜会后文。变压器励磁电感的计算见等式(4)：(4)LC输出滤波器第一选择交越频率(fC)。因开关噪声缘故，fC大于10kHz时要求无噪声布线，难于设计。故不介绍在较高的频率交越，直接选定fC为10kHz。若是我们假定由fC、输出电容(Cout)及最大阶跃负载电流(Iout)确定出Iout时的最大压降(Vout)为250mV，我们就能写出下述等式：(5)(6)我们选择的是2颗松下FM系列的1,000μF@16V电容。从电容规范中解析出：Ic,rms=5.36A@TA=+105℃RESR,low=8.5mW@TA=+20℃RESR,high=28.5mW@TA=-10℃接下来，以DIout=5A来计算DVout，见等式(7)：(7)这里有一个经验法规，就是选择等式(6)计算出来的值一半的等效串通电阻(ESR)电容：RESR,max=22mW@0℃。这个规则考虑到了电容工艺变化，以及留出一些电源在极低环境温度条件下启动工作时的裕量。最大峰值到峰值电流(IL)的计算见等式(8)：(8)要获取输出电感值，我们能够写出关闭时间时期的降压纹波电流等式：(9)同等式(9)进行变换，就可以获取等式(10)，最后我们选择27μH的标准值。(10)输出电容的均方根电流(ICout,rms)计算见等式(11)：(11)其中，额定电感时间常数(τ)的计算见等式(12)：(12)变压器电流经过一系列计算(详细计算过程拜会参照资料3)，能够获取：次级峰值电流(IL_pk)为11.13A，次级谷底电流(IL_valley)为8.86A，初级峰值电流(Ip_pk)为0.A，初级谷底电流(Ip_valley)为0.75A，初级均方根电流(Ip,rms)为0.63A。MOSFET由于NCP1252是双开关正激变换器，故作为开关的功率MOSFET的最大电压限制为输入电压。平时漏极至源极击穿电压(BVDSS)施加了等于15%的降额因数，若是我们选择500V的功率MOSFET，降额后的最大电压应该是：500V0.85=425V。我们选择的功率MOSFET是采用TO220封装的FDP16N50，其BVDSS为500V，导通阻抗(RDS(on))为0.434Ω(@Tj=110℃)，总门电荷(QG)为45nC，门极至漏极电荷(QGD)为14nC。MOSFET的导电耗费、开关导通耗费计算见等式(13)到(14)：(13)(14)其中，交迭时间(由t)以低等式计算得出：(15)MOSFET的开关关闭耗费见等式(16)：(16)其中，交迭时间(由t)以低等式计算得出：(17)因此，MOSFET的总耗费为：Plosses=Pcond+PSW,on+PSW,off=173+149+324=646mW(18)二极管次极二极管D1和D2保持相同的峰值反相电压(PIV)，结合二极管降额因数(kD)为40%，能够计算出PIV，见等式(19)：(19)由于PIV<100V，故能够选择30A、60V、TO-220封装的肖特基二极管MBRB30H60CT。二极管导通时间时期的导电耗费为：Pcond,forward=IoutVfDCmax=10x0.5x0.45=2.25W(20)关闭时间时期的导电耗费为：Pcond,freewheel=IoutVf(1-DCmin)=10x0.5x(1-0.39)=3.05W(21)NCP1252应用设计：NCP1252元件计算用于选择开关频率的电阻Rt采用一颗简单电阻，即可在50至500kHz范围之间选择开关频率(FSW)。假定开关频率为125kHz，那么我们就可以获取：(22)其中，VRt是Rt引脚上表现的内部电压参照(2.2V)。感测电阻NCP1252的最大峰值电流感测电压达1V。感测电阻(Rsense)以初级峰值电流的20%余量来计算，其中10%为励磁电流，10%为总公差：(23)(24)斜坡补偿斜坡补偿旨在防范频率为开关频率一半时出现次斜坡振荡，这时变换器工作在CCM，占空比凑近或高于50%。由于是正激拓扑结构，重要的是考虑由励磁电厂所致的自然补偿。依照所要求的斜坡补偿(平时为50%至100%)，仅能够外部增加斜坡补偿与自然补偿之间的差值。目标斜坡补偿等级为100%。相关计算等式以下：内部斜坡：(25)初级自然斜坡：(26)次级向下斜坡：(27)自然斜坡补偿：(28)由于自然斜坡补偿低于100%的目标斜坡补偿，我们需要计算约33%的补偿：(29)(30)由于RcompCCS网络滤波需要约220ns的时间常数，故：(31)输入欠压电阻输入欠压(BO)引脚电压低于VBO参照时连接IBO电流源，从而产生BO磁滞。(32)(33)NCP1252演示板图片及性能概览NCP1252演示板的详细电路图拜会参照资料2,其顶视图和底视图则见图3。图3：NCP1252演示板的顶视图及底视图。在室温及额定输入电压(390Vdc)条件下，NCP1252演示板不相同负载等级时的能效如图4所示。今后图能够看出，负载高于40%最大负载时，工作能效高于90%。这演示板还能够藉在变换器次级端同步整流，进一步提升能效达几个百分点。4：NCP1252演示板在室温及额定输入电压(390Vdc)条件下的能效图。如前所述，NCP1252供应软启动功能，其中一个目标应用就是取代UC38xx。NCP1252有一个专用引脚，支持调治软启动连续时间及控制启动时期的峰值。其他，NCP1252的待机能耗性能也很突出。这器件能藉将输入欠压脚接地来关闭，而关闭时VCC输入端汲入的电流小于100μA。

(BO)引总结：本文介绍了正激变换器磁芯复位技术的原理，比较了三次绕组、RCD钳位及双开关正激等常有的磁芯复位技术，解析了双开关正激变换器的优势，并结合安森美半导体基于双开关正激磁芯复位技术的NCP1252固定频率控制器，分享了这双开关正激变换器的应用设计过程。这器件集成了输入欠压检测、软启动及过载检测等众多特点。测试结果显示，NCP1252供应极高的工作能效和极低的待机能耗，适合UC38xx取代、ATX电源、适配器及其他任何要求低待机能耗的应用。内容总结

（1）双开关正激变换器及其应用设计

单开关(或称单晶体管)正激变换器是一种最基本种类的基于变压器的隔断

降压变换器，广泛用于需要大降压比的应用

（2）这种变换器的优点包括只需单颗接

地参照晶体管，及非脉冲输出电流减小输出电容的均方根纹波电流含量等

（3）有3种常有的标准磁芯复位技术，分别是三次绕组，