一種高可靠性準諧振反激式開關電源的設計
摘要:介紹了一種高可靠性準諧振反激式開關電源。分析了準諧振反激式開關電源和電源冗余的工作原理及實現(xiàn)方式。通過實驗分析,驗證了理論分析的準確性,提高了電源可靠性。證明該電源降低了開關損耗,具有較高的電源效率;表明了兩路冗余電源具有較好的均流效果。
關鍵詞:準諧振;冗余;反激;開關電源
隨著社會對能源效率和環(huán)保問題的關注度日益提高,人們對開關電源的效率期望越來越高,而減少開關損耗是提高效率的重要途徑之一。采用準諧振技術控制開關管,使其在開關管兩端電壓最小時開通,可以很大程度地減少開關損耗,相比傳統(tǒng)的反激式開關電源,最多可以提高5%以上效率;同時開通過程中因開關管承受的電壓較低,產(chǎn)生的dv/dt也小,于是產(chǎn)生較小的EMI,有效的解決電磁干擾等問題。
另一方面,開關電源現(xiàn)已廣泛應用于鐵路的通信網(wǎng)絡等系統(tǒng)中。電源除了要連續(xù)運行外,還要經(jīng)受高低溫、高濕、沖擊等考驗。這就要求電源設備必須有很高的可靠性。采用冗余結(jié)構(gòu)是一種有效提高電源可靠性的方法。本論文通過采用準諧振控制芯片和兩路冗余熱備份結(jié)構(gòu),設計出一種高可靠性的準諧振反激式開關電源。
1 準諧振反激式開關電源的原理及實現(xiàn)方式
(1)準諧振反激式開關電源原理分析
準諧振反激式開關電源基本原理和等效原理圖如圖1、2所示。其中Lm為原邊勵磁電感,Lk為原邊漏感。電容Cd包括主開關管Q的輸出電容Coss,變壓器的匝間電容以及電路中的其他一些雜散電容。Rp為初級繞組的寄生電阻,包括變壓器原邊繞組的電阻,銅線的高頻趨膚效應、磁材料的損耗以及輻射效應的等效電阻。
準諧振反激式開關電源工作在DCM或CRCM狀態(tài),副邊二極管電流下降到零之后,電容Cd,原邊電感Lp=Lm+Lk以及電阻Rp構(gòu)成一個RLC諧振電路,主開關管Q兩端電壓Vds將產(chǎn)生振蕩。傳統(tǒng)的反激式開關電源主開關管可能Vds振蕩波形任一點處開通,視負載情況而定。而準諧振反激式開關電源,不管負載情況如何,總是在當檢測到Vds波形振蕩到谷底時,控制器控制主開關管Q開通,降低主開關管Q的開通損耗,同時使得輸出電容Cd上的能量損耗達到最小,波形圖如圖3所示。
在振蕩階段,Vds的值可以用如下的式子表示
其中n為原副邊匝數(shù),α為振蕩的衰減系數(shù),其表達式為:
可以看出如果有n(Vout+Vf)≥Vin,在T2時刻,主開關管的體二極管導通,此時控制主開關導通,主開關就能實現(xiàn)零電壓開通。
如果n(Vout+Vf)≤Vin,盡管主開關無法實現(xiàn)零電壓開通,但是讓主開關在T2時刻導通仍然可以最大程度上減小主開關的開通損耗。
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