單片開關(guān)電源工作模式的設(shè)定及反饋理論分析

摘要：首先介紹單片開關(guān)電源連續(xù)模式和不連續(xù)模式的設(shè)定方法，然后以TOPSwitch的基本反饋電路為例，對(duì)這兩種工作模式的反饋理論作深入分析。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹_關(guān)電源；連續(xù)模式；不連續(xù)模式；設(shè)定

單片開關(guān)電源有兩種基本工作模式，一種是連續(xù)傳輸模式（簡(jiǎn)稱連續(xù)模式）；另一種為不連續(xù)傳輸模式（簡(jiǎn)稱不連續(xù)模式）。下面首先介紹兩種工作模式的設(shè)定方法及功耗比較，然后闡述兩種工作模式的反饋理論。

1單片開關(guān)電源兩種工作模式的設(shè)定
1.1連續(xù)模式及不連續(xù)模式的特點(diǎn)
連續(xù)模式的特點(diǎn)是高頻變壓器在每個(gè)開關(guān)周期都是從非零的能量?jī)?chǔ)存狀態(tài)開始的。不連續(xù)模式的特點(diǎn)是儲(chǔ)存在高頻變壓器中的能量在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)都要完全釋放掉。由圖1所示開關(guān)電流波形上可以看出二者的區(qū)別。連續(xù)模式的開關(guān)電流先從一定幅度開始，沿斜坡上升到峰值，然后又迅速回零。此時(shí)，初級(jí)脈動(dòng)電流（IR）與峰值電流（IP）的比例系數(shù)KRP1.0，即

不連續(xù)模式的開關(guān)電流則是從零開始上升到峰值，再迅速降到零。此時(shí)KRP=1.0，即
IP=IP（2）
1.2工作模式的設(shè)定
利用IR與IP的比例關(guān)系，亦即KRP的數(shù)值，可以定量地描述單片開關(guān)電源的工作模式。KRP的取值范圍是0～1.0。若取IR=IP，即KRP=1.0，就將開關(guān)電源設(shè)定在不連續(xù)模式。當(dāng)IRIP，即KRP1.0時(shí)，開關(guān)電源就被設(shè)定為連續(xù)模式。具體講，這又分兩種情況：
1）當(dāng)0IRIP，即0KRP1.0時(shí)處于連續(xù)模式；
2）理想情況下，IR=0，KRP=0，表示處于絕對(duì)連續(xù)模式，或稱作極端連續(xù)模式，此時(shí)初級(jí)電感量LP→∞，而初級(jí)開關(guān)電流呈矩形波。
實(shí)際上在連續(xù)模式與不連續(xù)模式之間并無嚴(yán)格界限，而是存在一個(gè)過渡過程。對(duì)于給定的交流輸入電壓范圍，KRP值較小，就意味著更為連續(xù)的工作模式和相對(duì)較大的初級(jí)電感量，并且初級(jí)的IP和IRMS較小，此時(shí)可選用功率較小的TOPSwitch芯片和較大尺寸的高頻變壓器來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。反之，KRP值較大，就表示連續(xù)程度較差，初級(jí)電感量較小，而IP與IRMS較大，此時(shí)須采用功率較大的TOPSwitch芯片，配尺寸較小的高頻變壓器。
綜上所述，選擇KRP值就能設(shè)定開關(guān)電源的工作模式。設(shè)定過程為：連續(xù)模式。對(duì)于85～265V寬范圍輸入或230V固定輸入的交流電壓，選擇KRP=0.6～1.0比較合適。
1.3兩種工作模式的功耗比較
下面給出兩個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例，能夠說明在寬范圍輸入時(shí)，KRP=1.0（不連續(xù)模式）、KRP=0.4（連續(xù)模式）所對(duì)應(yīng)的IP與IRMS值的變化情況。由此可對(duì)兩種工作模式下的TOPSwitch功率損耗加以比較。
1）不連續(xù)模式的設(shè)計(jì)實(shí)例
已知工作參數(shù)：KRP=1.0，UImin=90V，Dmax=0.6，PO=30W，電源效率η=80％。
初級(jí)峰值電流IP既可表示為IR和KRP的函數(shù)，又可表示為基本參數(shù)（PO、UImin、Dmax、η）和IR的函數(shù)。有關(guān)系式

把UImin=90V，Dmax=0.6，η=80％，PO=30W，KRP=1.0代入（5）式中計(jì)算出IP=1.39A。進(jìn)而求出初級(jí)電流有效值

2）連續(xù)模式的設(shè)計(jì)實(shí)例
已知工作參數(shù)：KRP=0.4，UImin=90V，Dmax=0.4，PO=30W，η=80％。與上例的區(qū)別僅是KRP變成0.4，Dmax降至0.4，這就表示工作在更為連續(xù)的模式。同理可計(jì)算出IP′=0.87A，IRMS′=0.54A。
不難求出，連續(xù)模式的峰值電流僅為不連續(xù)模式峰值電流的63％，而有效值電流是不連續(xù)模式的87％。由此可見，對(duì)于給定的TOPSwitch芯片，兩種工作模式下的功耗之比為

這表明在同樣條件下，采用連續(xù)模式可比不連續(xù)模式減小24.3％的功耗。換言之，對(duì)于同樣的輸出功率，采用連續(xù)模式可使用功率較小的TOPSwitch芯片，或者允許TOPSwitch工作在較低的損耗下。此外，設(shè)計(jì)成連續(xù)模式時(shí)，初級(jí)電路中的交流成分要比不連續(xù)模式低，并能減小趨膚效應(yīng)以及高頻變壓器的損耗。
2單片開關(guān)電源的反饋理論分析
下面以TOPSwitch的基本反饋電路為例，對(duì)不連續(xù)模式和連續(xù)模式的反饋理論作深入分析。需要說明，這里講的反饋理論僅討論初級(jí)繞組與輸出電路之間的相互作用。這與由反饋繞組及其外圍電路構(gòu)成的控制電路是兩個(gè)概念，后者專用來調(diào)節(jié)占空比的，因此下述討論不涉及反饋繞組。
2.1基本反饋過程
TOPSwitch系列單片開關(guān)電源可視為單片組合器件，它將高壓功率開關(guān)管(MOSFET)以及所需全部模擬與數(shù)字電路組合在一起，完成輸出隔離、脈寬調(diào)制及多種保護(hù)功能。TOPSwitch的基本反饋電路如圖2所示。對(duì)該電路稍加改動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)單路或多路輸出、升壓或降壓輸出、正壓或負(fù)壓輸出。
在TOPSwitch的基本反饋電路中，高頻變壓器具有能量?jī)?chǔ)存、隔離輸出和電壓變換這三大功能。圖中的NP、NS、NF分別代表初級(jí)繞組、次級(jí)繞組、反饋繞組以及各自的匝數(shù)。瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）和超快恢復(fù)二極管（SRD）構(gòu)成了鉗位保護(hù)電路，能吸收初級(jí)漏感所產(chǎn)生的尖峰電壓。VD為輸出整流管，C2是輸出濾波電容，RL為負(fù)載電阻。UO為輸出電壓。圖2中省略了交流輸入及整流濾波電路。交流電經(jīng)過整流橋和濾波電容，產(chǎn)生直流輸入高壓UI，當(dāng)TOPSwitch導(dǎo)通時(shí)VD處于截止?fàn)顟B(tài)，而初級(jí)電流沿斜線上升。有公式