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設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn):這個(gè)電路用同步整流代替二極管后,出現(xiàn)意想不到的效果

發(fā)布時(shí)間:2019-01-21 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】在現(xiàn)實(shí)情況中,寄生元件會(huì)共同降低未調(diào)節(jié)輸出的負(fù)載調(diào)整。在本電源小貼士中,我將進(jìn)一步探討寄生電感的影響,以及如何使用同步整流代替二極管來(lái)大幅提高反激式電源的交叉調(diào)整率。
 
當(dāng)選擇一個(gè)可從單電源產(chǎn)生多輸出的系統(tǒng)拓?fù)鋾r(shí),反激式電源是一個(gè)明智的選擇。由于每個(gè)變壓器繞組上的電壓與該繞組中的匝數(shù)成比例,因此可以通過(guò)匝數(shù)來(lái)輕松設(shè)置每個(gè)輸出電壓。在理想情況下,如果調(diào)節(jié)其中一個(gè)輸出電壓,則所有其他輸出將按照匝數(shù)進(jìn)行縮放,并保持穩(wěn)定。
 
然而,在現(xiàn)實(shí)情況中,寄生元件會(huì)共同降低未調(diào)節(jié)輸出的負(fù)載調(diào)整。在本電源小貼士中,我將進(jìn)一步探討寄生電感的影響,以及如何使用同步整流代替二極管來(lái)大幅提高反激式電源的交叉調(diào)整率。
 
例如,一個(gè)反激式電源可分別從一個(gè)48V輸入產(chǎn)生兩個(gè)1 A的12V輸出,如圖1的簡(jiǎn)化仿真模型所示。理想的二極管模型具有零正向壓降,電阻可忽略不計(jì)。變壓器繞組電阻可忽略不計(jì),只有與變壓器引線串聯(lián)的寄生電感才能建模。這些電感是變壓器內(nèi)的漏電感,以及印刷電路板(PCB)印制線和二極管內(nèi)的寄生電感。當(dāng)設(shè)置這些電感時(shí),兩個(gè)輸出相互跟蹤,因?yàn)楫?dāng)二極管在開(kāi)關(guān)周期的1-D部分導(dǎo)通時(shí),變壓器的全耦合會(huì)促使兩個(gè)輸出相等。
 
圖1:該反激式簡(jiǎn)化模型模擬了漏電感對(duì)輸出電壓調(diào)節(jié)的影響。
 
現(xiàn)在考慮一下,當(dāng)您將100 nH的漏電感引入變壓器的兩根二次引線,并且將3μH的漏電與初級(jí)繞組串聯(lián)時(shí),將會(huì)發(fā)生什么。這些電感可在電流路徑中建立寄生電感,其中包括變壓器內(nèi)部的漏電感以及PCB和其他元件中的電感。當(dāng)初始場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)關(guān)斷時(shí),初始漏電感仍然有電流流動(dòng),而次級(jí)漏電感開(kāi)啟初始條件為0 A的1-D周期。變壓器磁芯上出現(xiàn)基座電壓,所有繞組共用。該基座電壓使初級(jí)漏電中的電流斜降至0 A,并使次級(jí)漏電電流斜升以將電流傳輸?shù)截?fù)載。
 
當(dāng)兩個(gè)重載輸出時(shí),電流在整個(gè)1-D周期持續(xù)流動(dòng),輸出電壓平衡良好,如圖2所示。然而,當(dāng)一個(gè)重載輸出和另一個(gè)輕載輸出時(shí),輕載輸出上的輸出電容傾向于從該基座電壓發(fā)生峰值充電;因?yàn)殡娏餮杆倩厣搅?,其輸出二極管將停止導(dǎo)通,。請(qǐng)參見(jiàn)圖3中的波形。這些寄生電感的峰值充電交叉調(diào)節(jié)影響通常比整流器正向壓降單獨(dú)引起的要差得多。 
 
圖2:當(dāng)對(duì)兩個(gè)輸出施加重載時(shí),在整個(gè)1-D周期內(nèi),次級(jí)繞組電流在兩個(gè)次級(jí)繞組中流動(dòng)。您可以看到上方紅色跡線上的基座電壓。 
 
圖3:重載次級(jí)1和輕載次級(jí)2?;妷簩?duì)次級(jí)2的輸出電容器進(jìn)行峰值充電。
 
無(wú)論負(fù)載如何,同步整流器有助于通過(guò)在整個(gè)1-D周期內(nèi)強(qiáng)制電流流入兩個(gè)繞組來(lái)減輕此問(wèn)題。圖4顯示了具有與圖3相同負(fù)載條件的波形,但用理想的同步整流器代替了理想的二極管。由于同步整流器在基座電壓降低后保持良好狀態(tài),因此即使出現(xiàn)嚴(yán)重不平衡的負(fù)載,兩個(gè)輸出電壓也能很好地相互跟蹤。
 
雖然次級(jí)2的平均電流非常小,但均方根(RMS)含量仍然可以相當(dāng)高。這是因?yàn)?,與圖3中的理想二極管不同,同步整流器在整個(gè)1-D周期期間可強(qiáng)制連續(xù)電流流動(dòng)。有趣的是,電流在這一周期的大部分時(shí)間內(nèi)必須是負(fù)的,以保證低平均電流。
 
顯然,您犧牲更佳的調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)更高的循環(huán)電流。然而,這并不一定意味著總損耗會(huì)更高。同步整流器的正向壓降通常遠(yuǎn)低于二極管,因此同步整流器在較高負(fù)載下的效率通常要好得多。 
 
圖4:用同步整流器代替二極管以強(qiáng)制電流在兩個(gè)次級(jí)繞組中流動(dòng),并消除基座電壓的峰值充電。
 
您可以在圖5中看到對(duì)交叉調(diào)節(jié)的影響。1號(hào)輸出上的負(fù)載在1A時(shí)保持穩(wěn)定,而2號(hào)輸出上的負(fù)載則在10 mA到1A之間起伏。在低于100 mA的負(fù)載下,當(dāng)使用二極管時(shí),由于基座電壓峰值充電的影響,交叉調(diào)節(jié)嚴(yán)重降低。
 
請(qǐng)記住,您之所以只看到漏電感的影響,是因?yàn)樵谶@些模擬中使用的是理想的二極管和理想的同步整流器。當(dāng)考慮電阻和整流器的正向壓降影響時(shí),使用同步整流器的優(yōu)勢(shì)會(huì)進(jìn)一步凸顯。
 
因此,為了在多輸出反激式電源中實(shí)現(xiàn)卓越的交叉調(diào)節(jié)效果,請(qǐng)考慮使用同步整流器。此外,您還可能提高電源的效率。查看TI用于PoE應(yīng)用參考設(shè)計(jì)的40V至60V輸入40W雙輸出隔離反激式轉(zhuǎn)換器(4.33A時(shí)6V)和3類(lèi)雙輸出隔離反激式轉(zhuǎn)換器,以作為使用同步整流器的反激式電源示例。
 
圖5:該圖顯示了兩個(gè)輸出之間的交叉調(diào)節(jié),其中1號(hào)輸出上的1-A負(fù)載保持穩(wěn)定,而2號(hào)輸出上的負(fù)載不斷變化,從而凸顯了同步整流器如何減輕漏電感的影響。
 
來(lái)源:TI博客文章
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