用LM3488設(shè)計(jì)回掃開(kāi)關(guān)電源供給器
回掃拓樸結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)多輸出分離開(kāi)關(guān)電源及 48 伏輸進(jìn)電信應(yīng)用方案最常用的拓樸結(jié)構(gòu)。下文先容如何利用高效率的 LM3488 低邊 N 通道電流模式控制器設(shè)計(jì)本錢(qián)低廉的斷續(xù)式回掃開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。
回掃轉(zhuǎn)換器基本上是一種降壓/升壓轉(zhuǎn)換器。
單式電感器可以分為兩個(gè)并行連接的電感器，其線(xiàn)圈匝數(shù)為 1:1。分開(kāi)之后，電感器的基本功能不會(huì)改變，而同一核心的兩個(gè)并行線(xiàn)圈相即是一個(gè)線(xiàn)圈。假如兩個(gè)線(xiàn)圈之間的連接中斷，晶體管導(dǎo)電時(shí)電流便流經(jīng) L1 線(xiàn)圈，但當(dāng)二極管導(dǎo)電時(shí)電流便流經(jīng)另一線(xiàn)圈 L2。
變壓器低級(jí)線(xiàn)圈上的點(diǎn)與次級(jí)線(xiàn)圈上的點(diǎn)恰好處于相反位置，從這個(gè)特征我們可以立即肯定所采用的是回掃拓樸結(jié)構(gòu)。拓樸結(jié)構(gòu)的最大題目是電感器兼變壓器的設(shè)計(jì)，由于這個(gè)電感器兼變壓器既負(fù)責(zé)儲(chǔ)存能量，也負(fù)責(zé)執(zhí)行變壓器的功能。它與理論上的典型變壓器不同，電流不會(huì)同時(shí)流進(jìn)兩個(gè)線(xiàn)圈。
產(chǎn)生磁化作用的低級(jí)線(xiàn)圈與原本的降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的電感器都以同一方式產(chǎn)生電感。當(dāng)晶體管導(dǎo)電時(shí)，來(lái)自直流電電源的電力會(huì)儲(chǔ)存在 L1。當(dāng)二極管導(dǎo)電時(shí)，電力便會(huì)傳送到輸出電容器及負(fù)載。
斷續(xù)模式與連續(xù)模式的優(yōu)劣比較
回掃轉(zhuǎn)換器有兩種不同的操縱模式，即斷續(xù)模式及連續(xù)模式。這兩個(gè)模式都有相同的電路圖。顯示變壓器低級(jí)線(xiàn)圈及次級(jí)線(xiàn)圈的電流波形。
若輸出電流進(jìn)步至超過(guò)某一水平時(shí)，根據(jù)原本設(shè)計(jì)需采用斷續(xù)模式的電路會(huì)改用連續(xù)模式。
以斷續(xù)模式操縱時(shí)，啟動(dòng)期間儲(chǔ)存在低級(jí)線(xiàn)圈的所有電能會(huì)在下一周期開(kāi)始前全部傳送到次級(jí)線(xiàn)圈及負(fù)載。次級(jí)線(xiàn)圈的電流降至"0"而另一周期還未開(kāi)始時(shí)的短短一瞬間也會(huì)出現(xiàn)一段空檔時(shí)間。以連續(xù)模式操縱時(shí)，每當(dāng)另一周期開(kāi)始時(shí)都會(huì)有部分電力保存在次級(jí)線(xiàn)圈內(nèi)。
回掃轉(zhuǎn)換器可以采用任何一種模式操縱，但每一模式各有不同的功能特色。斷續(xù)模式的峰值電流較高，因此可以在開(kāi)關(guān)封閉后輸出較高的尖峰電壓，但其負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)則較快，低級(jí)電感也較低，因此變壓器的外型可以較小。由于輸進(jìn)反向電壓之前的正向電流為"0"，因此二極管的反向恢復(fù)時(shí)間并非那么重要。此外，晶體管啟動(dòng)時(shí)其集電極電流為"0"，有助減低斷續(xù)模式的電磁干擾噪音。至于連續(xù)模式，固然其峰值電流較低，令輸出的尖峰電壓也較低，但低功率應(yīng)用方案也很少采用這種連續(xù)模式，由于轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換函數(shù)的右半平面為"0"，使帶寬不得不大幅壓縮，以穩(wěn)定反饋環(huán)路。
電壓模式控制與電流模式控制的比較
電壓模式控制電路只采用一個(gè)反饋環(huán)路。采用該模式的脈沖寬度調(diào)制電路。圖中的振蕩器負(fù)責(zé)利用外置電容器的固定電流產(chǎn)生固定的鋸齒形三角波形 Vst。誤差放大器則負(fù)責(zé)比較輸出電壓的反饋與參考電壓，并根據(jù)比較結(jié)果產(chǎn)生誤差電壓 Ve。電壓比較器則負(fù)責(zé)比較 Ve 與 Vst。若 Vst 比誤差電壓 Ve 高，脈沖寬度調(diào)制輸出也會(huì)較高。
電壓模式控制功能不能控制輸出電流，因此負(fù)載瞬態(tài)必須通過(guò)輸出電壓的轉(zhuǎn)變感測(cè)出來(lái)，并利用反饋環(huán)路加以校正。電流模式控制功能的優(yōu)點(diǎn)是可以控制同一電路的輸出電流及輸出電壓。只要改變功率晶體管的占空比，便可提供線(xiàn)路及電流瞬態(tài)響應(yīng)。輸出電壓誤差 Ve 及鋸齒形波形 Vst 都可決定占空比的大小，而鋸齒形波形 Vst 則由外置傳感電流電阻器輸出電感電流而產(chǎn)生。由于電流模式控制功能除了可為每周期提供電流限幅之外，還可提供卓越的帶寬及瞬態(tài)響應(yīng)，因此是較為理想的選擇。
基本操縱
采用 LM3488 的典型回掃轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)， Vo1 是這個(gè)電路的主輸出，而 Vo2 與 Vo3 則是其從屬輸出。從屬輸出會(huì)隨著線(xiàn)路的轉(zhuǎn)變而調(diào)節(jié)，以確保電壓穩(wěn)定，也會(huì)隨著負(fù)載的轉(zhuǎn)變而酌量調(diào)節(jié)，以確保電壓穩(wěn)定。
Q 啟動(dòng)時(shí)，Np 會(huì)產(chǎn)生固定電壓，而電流會(huì)按照線(xiàn)性的函數(shù)方式上升，其速率可用以下公式表達(dá)：
dI/dt = （Vin 1/Lp）
而 Lp 為低級(jí)線(xiàn)圈磁化電感
啟動(dòng)完結(jié)時(shí)，低級(jí)線(xiàn)圈電流已上升到 Ip-peak=（Vin 1）Ton/Lp。在啟動(dòng) （Ton） 時(shí)，儲(chǔ)存在電感器的電力可用以下公式表達(dá)：
E:=｛L_｛p｝ （I_｛p-peak｝）｝︿｛2｝\over｛2｝
當(dāng) Q 封閉時(shí)，低級(jí)線(xiàn)圈的電感會(huì)將所有線(xiàn)圈的極性逆轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)。
假設(shè)只有一個(gè)輸出，低級(jí)線(xiàn)圈的所有能量理論上應(yīng)該會(huì)在封閉的一瞬間傳送到次級(jí)線(xiàn)圈。次級(jí)線(xiàn)圈的最高電流相即是 Is-peak = Ip-peak N，其中 N 是低級(jí)線(xiàn)圈與次級(jí)線(xiàn)圈之間的匝數(shù)比 （Np/Ns） 。
傳送到輸出的電功率為：
P:=｛E｝\over｛T｝=｛[（V_｛in｝-1） T_｛on｝]｝︿｛2｝\over｛2 T L_｛p｝｝
其中
T 是指相即是 1/開(kāi)關(guān)頻率的時(shí)間
Ton 是指開(kāi)啟時(shí)間
回掃環(huán)路將 Vin Ton 乘積固定在某一水平，以確保輸出電壓保持穩(wěn)定。
變壓器設(shè)計(jì)
理論上，變壓器不應(yīng)儲(chǔ)存能量，所有能量都會(huì)立即由低級(jí)線(xiàn)圈傳到次級(jí)線(xiàn)圈。
回掃變壓器可用作儲(chǔ)存能量的裝置。開(kāi)關(guān)啟動(dòng)之后，大部分能量都會(huì)儲(chǔ)存在變壓器的低級(jí)電感之中。開(kāi)關(guān)封閉后，能量便會(huì)傳送到次級(jí)線(xiàn)圈以及輸出電容器與負(fù)載。能量?jī)?chǔ)存在核心的空氣間隙，若采用的是透磁合金粉核心，能量則儲(chǔ)存在核心之內(nèi)。
電感變壓器在設(shè)計(jì)上應(yīng)力求將泄漏電感、交流電線(xiàn)圈損耗及核心損耗減至最低。泄漏電感屬于不會(huì)與次級(jí)電感互相耦合的低級(jí)電感部分。由于泄漏電感一方面會(huì)減低變壓器的效率，而另一方面又會(huì)在開(kāi)關(guān)芯片的漏極產(chǎn)生峰值，因此必須留意將泄漏電感減至最少。
高線(xiàn)圈損耗主要由趨膚效應(yīng)所引起。頻率越高，電流便越傾向流向?qū)щ婓w的表面，因此在一般情況下都會(huì)采用編織線(xiàn)或薄片線(xiàn)圈。編織線(xiàn)通常用幾條細(xì)小的電線(xiàn)絞合而成，而幾條編織線(xiàn)可再絞合一起編織成更粗的絞合線(xiàn)。
核心的窗形口應(yīng)開(kāi)得越闊越好，以減少層數(shù)，使交流電線(xiàn)圈損耗及泄漏電感可以減至最低。內(nèi)部設(shè)有空氣間隙的 E 類(lèi)核心是產(chǎn)生低本錢(qián)及低泄漏電感的首選解決方案。
核心損耗取決于核心物料、開(kāi)關(guān)頻率及電流擺幅。對(duì)于采用斷續(xù)導(dǎo)電設(shè)計(jì)而開(kāi)關(guān)頻率超過(guò) 100 kHz 的回掃變壓器來(lái)說(shuō)，鐵氧體 P 物料通常是首選物料，由于這種物料可以降低核心損耗。
工作頻率
LM3488 驅(qū)動(dòng)器的工作頻率范圍較為廣闊，可在 100 kHz 至 1 MHz 的開(kāi)關(guān)頻率范圍內(nèi)工作。
我們?yōu)殡娫垂┙o器選擇工作頻率時(shí)，應(yīng)具體考慮開(kāi)關(guān)損耗、變壓器總體損耗、磁性元件的外型大小、本錢(qián)以及輸出電容器等不同因素，力求各方面的優(yōu)點(diǎn)都能充分發(fā)揮出來(lái)。
高開(kāi)關(guān)頻率會(huì)降低輸出電容以及低級(jí)和次級(jí)線(xiàn)圈的電感，因此有助縮小變壓器的體積。
但高開(kāi)關(guān)頻率也同樣會(huì)增加變壓器的損耗及開(kāi)關(guān)器的開(kāi)關(guān)損耗。高損耗會(huì)降低電源供給器的總體效率，以致需要加大散熱器才能散發(fā)積聚的大量熱能。
回掃轉(zhuǎn)換器基本上是一種降壓/升壓轉(zhuǎn)換器。
單式電感器可以分為兩個(gè)并行連接的電感器，其線(xiàn)圈匝數(shù)為 1:1。分開(kāi)之后，電感器的基本功能不會(huì)改變，而同一核心的兩個(gè)并行線(xiàn)圈相即是一個(gè)線(xiàn)圈。假如兩個(gè)線(xiàn)圈之間的連接中斷，晶體管導(dǎo)電時(shí)電流便流經(jīng) L1 線(xiàn)圈，但當(dāng)二極管導(dǎo)電時(shí)電流便流經(jīng)另一線(xiàn)圈 L2。
變壓器低級(jí)線(xiàn)圈上的點(diǎn)與次級(jí)線(xiàn)圈上的點(diǎn)恰好處于相反位置，從這個(gè)特征我們可以立即肯定所采用的是回掃拓樸結(jié)構(gòu)。拓樸結(jié)構(gòu)的最大題目是電感器兼變壓器的設(shè)計(jì)，由于這個(gè)電感器兼變壓器既負(fù)責(zé)儲(chǔ)存能量，也負(fù)責(zé)執(zhí)行變壓器的功能。它與理論上的典型變壓器不同，電流不會(huì)同時(shí)流進(jìn)兩個(gè)線(xiàn)圈。
產(chǎn)生磁化作用的低級(jí)線(xiàn)圈與原本的降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的電感器都以同一方式產(chǎn)生電感。當(dāng)晶體管導(dǎo)電時(shí)，來(lái)自直流電電源的電力會(huì)儲(chǔ)存在 L1。當(dāng)二極管導(dǎo)電時(shí)，電力便會(huì)傳送到輸出電容器及負(fù)載。
斷續(xù)模式與連續(xù)模式的優(yōu)劣比較
回掃轉(zhuǎn)換器有兩種不同的操縱模式，即斷續(xù)模式及連續(xù)模式。這兩個(gè)模式都有相同的電路圖。顯示變壓器低級(jí)線(xiàn)圈及次級(jí)線(xiàn)圈的電流波形。
若輸出電流進(jìn)步至超過(guò)某一水平時(shí)，根據(jù)原本設(shè)計(jì)需采用斷續(xù)模式的電路會(huì)改用連續(xù)模式。
以斷續(xù)模式操縱時(shí)，啟動(dòng)期間儲(chǔ)存在低級(jí)線(xiàn)圈的所有電能會(huì)在下一周期開(kāi)始前全部傳送到次級(jí)線(xiàn)圈及負(fù)載。次級(jí)線(xiàn)圈的電流降至"0"而另一周期還未開(kāi)始時(shí)的短短一瞬間也會(huì)出現(xiàn)一段空檔時(shí)間。以連續(xù)模式操縱時(shí)，每當(dāng)另一周期開(kāi)始時(shí)都會(huì)有部分電力保存在次級(jí)線(xiàn)圈內(nèi)。
回掃轉(zhuǎn)換器可以采用任何一種模式操縱，但每一模式各有不同的功能特色。斷續(xù)模式的峰值電流較高，因此可以在開(kāi)關(guān)封閉后輸出較高的尖峰電壓，但其負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)則較快，低級(jí)電感也較低，因此變壓器的外型可以較小。由于輸進(jìn)反向電壓之前的正向電流為"0"，因此二極管的反向恢復(fù)時(shí)間并非那么重要。此外，晶體管啟動(dòng)時(shí)其集電極電流為"0"，有助減低斷續(xù)模式的電磁干擾噪音。至于連續(xù)模式，固然其峰值電流較低，令輸出的尖峰電壓也較低，但低功率應(yīng)用方案也很少采用這種連續(xù)模式，由于轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換函數(shù)的右半平面為"0"，使帶寬不得不大幅壓縮，以穩(wěn)定反饋環(huán)路。
電壓模式控制與電流模式控制的比較
電壓模式控制電路只采用一個(gè)反饋環(huán)路。采用該模式的脈沖寬度調(diào)制電路。圖中的振蕩器負(fù)責(zé)利用外置電容器的固定電流產(chǎn)生固定的鋸齒形三角波形 Vst。誤差放大器則負(fù)責(zé)比較輸出電壓的反饋與參考電壓，并根據(jù)比較結(jié)果產(chǎn)生誤差電壓 Ve。電壓比較器則負(fù)責(zé)比較 Ve 與 Vst。若 Vst 比誤差電壓 Ve 高，脈沖寬度調(diào)制輸出也會(huì)較高。
電壓模式控制功能不能控制輸出電流，因此負(fù)載瞬態(tài)必須通過(guò)輸出電壓的轉(zhuǎn)變感測(cè)出來(lái)，并利用反饋環(huán)路加以校正。電流模式控制功能的優(yōu)點(diǎn)是可以控制同一電路的輸出電流及輸出電壓。只要改變功率晶體管的占空比，便可提供線(xiàn)路及電流瞬態(tài)響應(yīng)。輸出電壓誤差 Ve 及鋸齒形波形 Vst 都可決定占空比的大小，而鋸齒形波形 Vst 則由外置傳感電流電阻器輸出電感電流而產(chǎn)生。由于電流模式控制功能除了可為每周期提供電流限幅之外，還可提供卓越的帶寬及瞬態(tài)響應(yīng)，因此是較為理想的選擇。
基本操縱
采用 LM3488 的典型回掃轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)， Vo1 是這個(gè)電路的主輸出，而 Vo2 與 Vo3 則是其從屬輸出。從屬輸出會(huì)隨著線(xiàn)路的轉(zhuǎn)變而調(diào)節(jié)，以確保電壓穩(wěn)定，也會(huì)隨著負(fù)載的轉(zhuǎn)變而酌量調(diào)節(jié)，以確保電壓穩(wěn)定。
Q 啟動(dòng)時(shí)，Np 會(huì)產(chǎn)生固定電壓，而電流會(huì)按照線(xiàn)性的函數(shù)方式上升，其速率可用以下公式表達(dá)：
dI/dt = （Vin 1/Lp）
而 Lp 為低級(jí)線(xiàn)圈磁化電感
啟動(dòng)完結(jié)時(shí)，低級(jí)線(xiàn)圈電流已上升到 Ip-peak=（Vin 1）Ton/Lp。在啟動(dòng) （Ton） 時(shí)，儲(chǔ)存在電感器的電力可用以下公式表達(dá)：
E:=｛L_｛p｝ （I_｛p-peak｝）｝︿｛2｝\over｛2｝
當(dāng) Q 封閉時(shí)，低級(jí)線(xiàn)圈的電感會(huì)將所有線(xiàn)圈的極性逆轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)。
假設(shè)只有一個(gè)輸出，低級(jí)線(xiàn)圈的所有能量理論上應(yīng)該會(huì)在封閉的一瞬間傳送到次級(jí)線(xiàn)圈。次級(jí)線(xiàn)圈的最高電流相即是 Is-peak = Ip-peak N，其中 N 是低級(jí)線(xiàn)圈與次級(jí)線(xiàn)圈之間的匝數(shù)比 （Np/Ns） 。
傳送到輸出的電功率為：
P:=｛E｝\over｛T｝=｛[（V_｛in｝-1） T_｛on｝]｝︿｛2｝\over｛2 T L_｛p｝｝
其中
T 是指相即是 1/開(kāi)關(guān)頻率的時(shí)間
Ton 是指開(kāi)啟時(shí)間
回掃環(huán)路將 Vin Ton 乘積固定在某一水平，以確保輸出電壓保持穩(wěn)定。
變壓器設(shè)計(jì)
理論上，變壓器不應(yīng)儲(chǔ)存能量，所有能量都會(huì)立即由低級(jí)線(xiàn)圈傳到次級(jí)線(xiàn)圈。
回掃變壓器可用作儲(chǔ)存能量的裝置。開(kāi)關(guān)啟動(dòng)之后，大部分能量都會(huì)儲(chǔ)存在變壓器的低級(jí)電感之中。開(kāi)關(guān)封閉后，能量便會(huì)傳送到次級(jí)線(xiàn)圈以及輸出電容器與負(fù)載。能量?jī)?chǔ)存在核心的空氣間隙，若采用的是透磁合金粉核心，能量則儲(chǔ)存在核心之內(nèi)。
電感變壓器在設(shè)計(jì)上應(yīng)力求將泄漏電感、交流電線(xiàn)圈損耗及核心損耗減至最低。泄漏電感屬于不會(huì)與次級(jí)電感互相耦合的低級(jí)電感部分。由于泄漏電感一方面會(huì)減低變壓器的效率，而另一方面又會(huì)在開(kāi)關(guān)芯片的漏極產(chǎn)生峰值，因此必須留意將泄漏電感減至最少。
高線(xiàn)圈損耗主要由趨膚效應(yīng)所引起。頻率越高，電流便越傾向流向?qū)щ婓w的表面，因此在一般情況下都會(huì)采用編織線(xiàn)或薄片線(xiàn)圈。編織線(xiàn)通常用幾條細(xì)小的電線(xiàn)絞合而成，而幾條編織線(xiàn)可再絞合一起編織成更粗的絞合線(xiàn)。
核心的窗形口應(yīng)開(kāi)得越闊越好，以減少層數(shù)，使交流電線(xiàn)圈損耗及泄漏電感可以減至最低。內(nèi)部設(shè)有空氣間隙的 E 類(lèi)核心是產(chǎn)生低本錢(qián)及低泄漏電感的首選解決方案。
核心損耗取決于核心物料、開(kāi)關(guān)頻率及電流擺幅。對(duì)于采用斷續(xù)導(dǎo)電設(shè)計(jì)而開(kāi)關(guān)頻率超過(guò) 100 kHz 的回掃變壓器來(lái)說(shuō)，鐵氧體 P 物料通常是首選物料，由于這種物料可以降低核心損耗。
工作頻率
LM3488 驅(qū)動(dòng)器的工作頻率范圍較為廣闊，可在 100 kHz 至 1 MHz 的開(kāi)關(guān)頻率范圍內(nèi)工作。
我們?yōu)殡娫垂┙o器選擇工作頻率時(shí)，應(yīng)具體考慮開(kāi)關(guān)損耗、變壓器總體損耗、磁性元件的外型大小、本錢(qián)以及輸出電容器等不同因素，力求各方面的優(yōu)點(diǎn)都能充分發(fā)揮出來(lái)。
高開(kāi)關(guān)頻率會(huì)降低輸出電容以及低級(jí)和次級(jí)線(xiàn)圈的電感，因此有助縮小變壓器的體積。
但高開(kāi)關(guān)頻率也同樣會(huì)增加變壓器的損耗及開(kāi)關(guān)器的開(kāi)關(guān)損耗。高損耗會(huì)降低電源供給器的總體效率，以致需要加大散熱器才能散發(fā)積聚的大量熱能。
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