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RCC稱為自激式反激變換器，是中小功率開關(guān)電源最常用的設(shè)計方式之一。但設(shè)計RCC開關(guān)電源時，因各參數(shù)的互相影響，使計算、調(diào)試復(fù)雜。而傳統(tǒng)的預(yù)選頻率，后進(jìn)行AP校驗(yàn)法需多次計算，所設(shè)計的系統(tǒng)難于工作在最佳狀態(tài)。在開關(guān)電源設(shè)計中變壓器設(shè)計是重點(diǎn)，變壓器設(shè)計最重要的參考量是工作頻率。若能預(yù)先計算出電源工作頻率，或至少確定影響頻率的因素，將大大減少計算和調(diào)試的時間。首先推導(dǎo)出頻率計算公式，確定頻率主要與初、次級電感量和輸入電壓的關(guān)系，并進(jìn)一步確定變壓器參數(shù)，最終確定電源的其他參數(shù)。最后通過對電源硬件的簡單調(diào)試，驗(yàn)證設(shè)計的合理性。 RCC(Ringing Choke Convertor)式開關(guān)電源具有所需器件少，成本低，不用外部時鐘控制，工作于臨界連續(xù)狀態(tài)，可以方便地實(shí)現(xiàn)電流型控制，在結(jié)構(gòu)上是單極點(diǎn)系統(tǒng)，容易得到快速穩(wěn)定的響應(yīng)，具有自動功率限制等優(yōu)點(diǎn)。RCC電路原理簡單，由開關(guān)變壓器和主開關(guān)管諧振產(chǎn)生振蕩，副開關(guān)管可以調(diào)節(jié)占空比，以此調(diào)節(jié)輸出電壓。但是RCC電源的占空比、工作頻率隨使用環(huán)境和內(nèi)部參數(shù)的變化而改變，使得開關(guān)管控制極的電流驅(qū)動波形難以確定，給器件參數(shù)選定，尤其是變壓器的設(shè)計帶來困難。傳統(tǒng)設(shè)計主要有諾模圖法和磁芯面積乘積AP計算校驗(yàn)法。這兩種方法在定頻率計算中較實(shí)用，但若未知頻率，將不能用以上兩種方式設(shè)計。傳統(tǒng)的方法是給RCC電源預(yù)設(shè)一頻率，然后設(shè)計變壓器。但因變壓器參數(shù)直接影響到電源的工作頻率，所設(shè)計的變壓器工作頻率經(jīng)常與預(yù)設(shè)頻率相差太大而不能正常工作；電源參數(shù)需多次重復(fù)設(shè)計，導(dǎo)致初期設(shè)計計算量大，而且該“拼湊法”在后期調(diào)試中，實(shí)際頻率很難與理論值吻合，導(dǎo)致電源不能工作在設(shè)計的最佳狀態(tài)。 本文推導(dǎo)出頻率計算公式，并得出頻率與輸入電壓成正比，與負(fù)載電流、初、次級電感量成反比。在確定的輸入電壓和已知的最大輸出功率下，根據(jù)電源給定的輸入電壓、輸出電壓、額定工作頻率和占空比直接求取變壓器的初、次級匝數(shù)，一次設(shè)計就能確定變壓器所有參數(shù)，解決了高頻變壓器設(shè)計中需要反復(fù)設(shè)計與驗(yàn)證的問題?；谠摲椒ㄔO(shè)計了一臺5V／10A的開關(guān)電源，并對電源的工作頻率、占空比等參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。 1 RCC原理 1．1 RCC原理 RCC原理圖如圖1所示。上電后，C3兩端電壓使電流經(jīng)起振電阻R1，R2，驅(qū)使主開關(guān)管Q1導(dǎo)通，隨著Q1導(dǎo)通，經(jīng)由反饋電感T1的反饋信號加強(qiáng)對Q1控制極正向驅(qū)動，使Q1迅速導(dǎo)通。因感應(yīng)電動勢與電流變化率成正比，當(dāng)變壓器初級電流最大(飽和導(dǎo)通)時，T1’兩端電壓為0，Q1退出飽和狀態(tài)開始關(guān)斷。此時，T1’感生反向電動勢，加速Q(mào)1關(guān)斷，同時飽和狀態(tài)R4兩端電壓驅(qū)使Q2開通，并將Q1控制極短路，使Q1關(guān)斷，經(jīng)起振電阻R1，R2重新使Q1導(dǎo)通，依此循環(huán)。RCC電路始終工作在臨界導(dǎo)通模式，不會出現(xiàn)反激變換中的連續(xù)能量傳遞模式，其初級電流始終都是一個鋸齒形三角波形，而不會出現(xiàn)梯形波。RCC電路調(diào)節(jié)電壓的輸入方式是通過控制初級峰值電流來實(shí)現(xiàn)的。
若變壓器T1的初級、次級電流為i1，i2，電壓為u1，u2，匝數(shù)為N1，N2，電感量為L1，L2，分析變壓器初級電感，由電磁感應(yīng)定律知，在導(dǎo)通時間△t下有以下關(guān)系：
由式(8)可知，占空比與變壓器初級電感量L1成正比，與輸入電壓u1、次級電感量L2成反比，占空比不受初、次級電流變化的影響。 理想狀態(tài)下變壓器的輸入輸出能量相等：
由式(10)可知，振蕩頻率f隨u1的升高而升高，隨輸出電流i2、初次級電感量L1，L2的增大而減小。根據(jù)式(8)，式(10)，可確定變壓器的初、次級電感L1，L2，它們是檢驗(yàn)電源能否達(dá)到設(shè)計要求的重要參考。 2 、設(shè)計實(shí)例 基于頻率計算法設(shè)計了一個50 W的RCC開關(guān)電源，其原理圖如圖2所示。為了圖面清晰，圖中未畫出工頻濾波和整流電路。該電源采用典型RCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其整流、濾波、緩沖吸收電路、電壓負(fù)反饋電路、過流控制的設(shè)計可參照文獻(xiàn)。
2．1 選擇磁芯 所設(shè)計的電源最大輸出功率為Pout=50W，所需的輸入功率Pin=Pout／η，預(yù)計效率為0．8，以時變壓器能承載的最大功率應(yīng)不小于62．5 W。若設(shè)計的電源最低工作頻率不低于50 kHz，查磁芯參數(shù)表知，EE30磁芯在50 kHz時最大輸出功率為64 W，能滿足所需功率的要求，其磁芯有效截面積Ae=109mm2。 2．2 求初、次級匝數(shù) 自激反激式變壓器匝數(shù)N的計算公式為：
由于次級最大平均電流為10 A，設(shè)計占空比D為0．3，則輸出瞬時極限電流I2max=28．57 A，由式(6)解出次級電感量L2=2．45μH。同理可以得出初級極限電流Imax=1．34A，初級電感量L1=1．39mH。由式(4)知N1=106。
輸出電流為10 A時初級電流i1和次級電壓u2如圖3所示。從數(shù)字示波器的波形可以看出，此時的占空比D為0．31，與設(shè)定的占空比相差3．33％，頻率f為47．6 kHz，與設(shè)定頻率相差3．93％。這是由于高頻變壓器次級線圈取整引起的，通過調(diào)節(jié)磁芯氣隙可以簡捷調(diào)節(jié)變壓器初、次級線圈的電感值，使各項指標(biāo)與理論值相吻合。因誤差不大，該設(shè)計中沒有做此調(diào)整。
此時的占空比D為0．36，頻率f為40 kHz，說明RCC變壓器工作占空比隨輸入電壓的減小而增大，工作頻率隨輸入電壓的減小而減小。將u1=250 V代入占空比計算式(8)和頻率計算式(10)，求解得出D=0．343，f=40．7 kHz，實(shí)際工作占空比與理論值相差5．56％，工作頻率與理論值相差1．72％。輸入直流電壓為300 V，輸出電流為5 A時，變壓器次級線圈電壓如圖5所示。 此時的占空比D為0．3，頻率f為100 kHz，說明當(dāng)改變輸出電流值時，電源的工作占空比并沒有發(fā)生變化，占空比與輸出電流大小沒有關(guān)系。而工作頻率隨輸出電流的減小而線性增大。將io=5 A代入占空比計算式(8)及頻率計算式(10)，求解得出D=0．3，f=92 kHz，工作頻率與理論值相差8．69％。 4 、結(jié)語 RCC電路通過變壓器初級線圈與開關(guān)管諧振產(chǎn)生自振蕩，在輸入電壓和負(fù)載一定時，振蕩頻率受初、次級電感量的影響較大。因RCC工作頻率可變，而過低頻率將導(dǎo)致磁芯磁飽和，因此設(shè)計RCC變壓器時必須留有氣隙，以增大磁阻，防止磁芯飽和。與普通變壓器工作方式不用，RCC變壓器初、次級線圈相當(dāng)于儲能電感，加之變壓器磁芯裝配預(yù)留氣隙產(chǎn)生的漏感以及緩沖網(wǎng)絡(luò)引發(fā)的損耗，不能簡單用初級的壓匝比求次級匝數(shù)。為此，本文提出了一種用于RCC開關(guān)電源設(shè)計的頻率計算驗(yàn)證方法，可以根據(jù)變壓器的輸入電壓、輸出電壓、工作頻率和占空比等參數(shù)直接計算變壓器的相關(guān)參數(shù)。依照該方法設(shè)計的電源不需重復(fù)設(shè)計和校驗(yàn)即可工作在預(yù)設(shè)的狀態(tài)，解決了RCC變壓器需反復(fù)設(shè)計的問題?；谠摲椒ㄔO(shè)計了一臺實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)表明，其工作狀態(tài)與設(shè)定狀態(tài)基本一致，說明用變壓器匝數(shù)直接計算法設(shè)計RCC電源是可行和有效的。本文推導(dǎo)出了Rcc電源的工作頻率、占空比與變壓器初、次級電感量、輸入電壓、輸出電流的關(guān)系，為RCC式開關(guān)電源的設(shè)計和調(diào)試提供了依據(jù)。 |
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