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產業動態 雙開關順向式轉換器及其應用設計
采杰公關顧問有限公司 本新聞稿發佈於2010/02/23,由發布之企業承擔內容之立場與責任,與本站無關

與第三繞組和RCD箝位等常見變壓器磁芯重置技術相比,雙開關順向技術不需要特殊的重置電路,更易於實現,且保證可靠的磁芯重置,適用的功率等級比單開關順向技術更高。安森美半導體的NCP1252是一款增強型雙開關順向式轉換器,具有可調節開關頻率及跳周期模式,帶閂鎖過流保護等多種保護功能,適合計算機ATX電源、交流適配器、UC38xx替代及其它任何需要低待機能耗的應用。

 
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單開關(或稱單電晶體)順向式轉換器是一種最基本類型、以變壓器為基礎的隔離降壓轉換器,廣泛用於需要大降壓比的應用。此類轉換器的優點包括只需單顆接地參考電晶體,及非脈波輸出電流減小輸出電容的均方根漣波電流含量等。但此類轉換器的功率能力小於半橋或全橋拓撲結搆,且變壓器需要磁芯重置,使此類轉換器最大工作週期(duty cycle)限制在約50%。此外,金屬氧化物半導體場效應管(MOSFET)開關的漏電壓變化達輸入電壓的兩倍或更多,使此類拓撲結搆較難用在較高輸入電壓的應用。

順向式轉換器中,變壓器的磁芯單方向磁化,在每個開關周期都需要採用相應的措施來使磁芯重置到初始值,否則勵磁電流會在每個開關周期增大,經曆幾個周期後會使磁芯飽和,損壞開關元件。相對而言,如果有磁芯重置,電流就不會在每個開關周期增大,電壓會基於勵磁電感(Lmag)反相並使磁芯重置。

有3種常見的標準磁芯重置技術,分別是第三繞組,電阻、電容、二極體(RCD)箝位和雙開關順向。此技術能夠提供大於50%的工作週期,但開關Q1的峰值電壓可能大於輸入電壓的2倍,而且變壓器有第三繞組,使變壓器結搆更復雜。RCD箝位磁芯重置技術也能使工作週期大於50%,但需要寫等式和仿真,以檢驗重置的正確性,讓設計過程更復雜。RCD箝位技術的成本比第三繞組技術低,但由於重置電路中的箝位電阻消耗能量,影響了電源轉換效率。

與前兩種磁芯重置技術相比,雙開關順向更易於實現,而且開關Q1上的峰值電壓等於輸入電壓,降低了開關所承受的電壓應力。此技術需要額外的MOSFET (Q2)和高端驅動器,且需要2個高壓低功率二極體(D3和D4)。雙開關順向技術的每個開關周期包含3步:第1步,開關Q1、Q2及二極體D1導通,二極體D2、D3及D4關閉;第2步,開關Q1、Q2及二極體D1關閉,而二極體D2、D3及D4導通;第3步,開關Q1、Q2及二極體D1仍然關閉,二極體D2仍然導通,而二極體D3及D4則關閉。

當然,採用此技術後,轉換器就成了雙開關順向式轉換器,它不同於單開關順向式轉換器,不需要特殊的重置電路就可以保證可靠的變壓器磁芯重置,可靠性高,適合更高功率等級。

NCP1252雙開關順向式轉換器展示板規格概覽
NCP1252是安森美半導體新推出的一款增強型雙開關順向式轉換器,適合於計算機ATX電源、交流適配器、UC38XX替代及其它任何要求低待機能耗的應用,相關效能測試結果將在後文提及。此元件也是一種固定頻率控制器,帶跳周期模式,能夠提供真正的空載工作。此外,NCP1252具有可調節開關頻率,增強設計彈性;還帶有閂鎖過流保護功能,能夠承受暫時的過載。其它功能還包括可調節軟啟動時長、內部斜坡補償、自恢復輸入欠壓檢測等。

NCP1252與市場上不含輸入欠壓檢測 、軟啟動及過載檢測的UC384x系列元件相比,提供此系列元件所不包含的這些功能(額外實現成本為0.07美元),降低成本並提升可靠性。

安森美半導體基於NCP1252搆建的展示板規格包括:
輸入電壓範圍:350至410 Vdc;
輸出電壓:12 Vdc,精度5%;
額定輸出功率:96 W (8 A);
最大輸出功率:120 W (每分鐘持續5秒);
最小輸出功率:真正空載(無假負載);
輸出漣波:50 mV峰值至峰值;
最大瞬態負載階躍:最大負載的50%;
最大輸出壓降:250 mV (5 µs內從輸出電流=50%到滿載(5 A到10 A))。

NCP1252應用設計:功率元件計算
1) 變壓器圈數比、工作週期及勵磁電感
首先計算變壓器在連續導電模式(CCM)下的圈數比N。
2) LC輸出濾波器
首先選擇交越頻率(fC)。因開關噪聲緣故,fC大於10 kHz時要求無噪聲布線,難於設計。故不推荐在較高的頻率交越,直接選定fC為10 kHz。
3) 變壓器電流
經過一系列計算可以得到:次級峰值電流(IL_pk)為11.13 A,次級谷底電流(IL_valley)為8.86 A,初級峰值電流(Ip_pk)為0.95 A,初級谷底電流(Ip_valley)為0.75 A,初級均方根電流(Ip,rms)為0.63 A。
4) MOSFET
由於NCP1252是雙開關順向式轉換器,故作為開關的功率MOSFET的最大電壓限制為輸入電壓。通常汲極至源極擊穿電壓(BVDSS)施加了等於15%的降額因數,如果我們選擇500 V的功率MOSFET,降額後的最大電壓應該是:500 V x 0.85 = 425 V。我們選擇的功率MOSFET是採用TO220封裝的FDP16N50,其BVDSS為500 V,導通電阻(RDS(on))為0.434 Ω(@Tj=110℃),總門電荷(QG)為45 nC,門極至汲極電荷(QGD)為14 nC。
5) 二極體
次極二極體D1和D2維持相同的峰值反相電壓(PIV),結合二極體降額因數(kD)為40%,可以計算出PIV。

NCP1252應用設計:NCP1252元件計算
1) 用於選擇開關頻率的電阻Rt
採用一顆簡單電阻,即可在50至500 kHz範圍之間選擇開關頻率(FSW)。
2) 感測電阻
NCP1252的最大峰值電流感測電壓達1 V。感測電阻(Rsense)以初級峰值電流的20%餘量來計算,其中10%為勵磁電流,10%為總公差。
3) 斜坡補償
斜坡補償用意是為了防止頻率為開關頻率一半時出現次斜坡振蕩,這時轉換器工作在CCM,工作週期接近或高於50%。由於是順向式拓撲結搆,重要的是考慮由勵磁電廠所致的自然補償。根據所要求的斜坡補償(通常為50%至100%),僅能夠外部增加斜坡補償與自然補償之間的差值。
4) 輸入欠壓電阻
輸入欠壓(BO)管腳電壓低於VBO參考時連接IBO電流源,從而產生BO磁滯。

在室溫及額定輸入電壓(390 Vdc)條件下,NCP1252展示板不同負載等級時的效能,負載高於40%最大負載時,工作效能高於90%。此展示板還能藉在轉換器次級端同步整流,進一步提升效能達幾個百分點。

如前所述,NCP1252提供軟啟動功能,其中一個目標應用就是替代UC38xx。NCP1252有一個專用管腳,支持調節軟啟動持續時間及控制啟動期間的峰值。

另外,NCP1252的待機能耗性能也很突出。此元件能藉將輸入欠壓(BO)管腳接地來關閉,而關閉時VCC輸入端汲入的電流小於100 µA。

總結:
本文介紹了順向式轉換器磁芯重置技術的原理,比較了第三繞組、RCD箝位及雙開關順向等常見的磁芯重置技術,分析了雙開關順向式轉換器的優勢,並結合安森美半導體以雙開關順向磁芯重置技術為基礎的NCP1252固定頻率控制器,分享了此雙開關順向式轉換器的應用設計過程。此元件整合了輸入欠壓檢測、軟啟動及過載檢測等眾多功能。測試結果顯示,NCP1252提供極高的工作效能和極低的待機能耗,適合UC38xx替代、ATX電源、適配器及其它任何要求低待機能耗的應用。

- 新聞稿有效日期,至2010/03/23為止


聯絡人 :Eric Tsai
聯絡電話:886-2-8773-4277
電子郵件:eric_tsai@accesspr.com.tw

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