多路輸出正激式變換器耦合濾波電感的設(shè)計(jì)

摘要：分析了具有耦合濾波電感的多輸出正激式開關(guān)電源電路，對比了有耦合和無耦合濾波電感對電路參數(shù)的影響，介紹了耦合濾波電感的設(shè)計(jì)方法。

1引言

　　近年來高頻開關(guān)電源在電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。正激式DC/DC變換器以其輸出紋波小、對開關(guān)管的要求較低等優(yōu)點(diǎn)而適合于低壓、大電流、功率較大的場合。但正激變換器對輸出電感的設(shè)計(jì)有較高要求，特別在多路輸出的情況。

　　本文分析對比正激變換器多路輸出濾波電感采用獨(dú)立方式和耦合方式的不同特點(diǎn)，討論了耦合電感的設(shè)計(jì)方法，給出了一個設(shè)計(jì)實(shí)例，并給出仿真及試驗(yàn)結(jié)果。

2正激變換器普通多路輸出的分析

　　圖1所示為180W正激變換器的變壓器及輸出部分。兩路輸出分別采用無耦合的濾波電感。其一路輸出UO1為：UO1=(Uin1－UV1a)D－UV1b(1－D)=Uin1D－UV1b(1)

　　式（1）中，D為初級開關(guān)脈沖的占空比，UV1a、UV1b分別為整流二極管和續(xù)流二極管的壓降，并假設(shè)它們相等。

　　該電路L的最小值一般由所需維持最小負(fù)載電流的要求決定，而電感L中的電流又分連續(xù)和不連續(xù)兩種工作情況。如果負(fù)載電流IO逐步降低，L中的波動電流最小值剛好為0時，即定義為臨界情況。在控制環(huán)中，連續(xù)狀況的傳遞函數(shù)有兩個極點(diǎn)，不連續(xù)狀況只有一個極點(diǎn)。因而在臨界點(diǎn)上下，傳遞函數(shù)是突變的。圖1電路的Uin1,Uin2繞組通常都為緊耦合狀態(tài)，而每一路LC濾波器的串聯(lián)諧振頻率不相同，這一情況將使控制環(huán)在連續(xù)狀況時傳遞函數(shù)增加新的極點(diǎn)。

　　在多路輸出時，如果輔助輸出電壓要保持在一定的穩(wěn)定范圍內(nèi)，則主輸出的電感必須一直超過臨界值，即一直處于連續(xù)狀態(tài)。從性能上講，L過大限制了輸出電流的最大變化率，而且?guī)е绷麟娏鬟\(yùn)行的大電感造價昂貴。

　　在圖1所示的電路中，當(dāng)UO1保持5V不變時，隨著UO2負(fù)載上的突然變化，其15.8V的電壓有可能突變4V～5V，且在經(jīng)過數(shù)十至數(shù)百毫秒后才能恢復(fù)。

圖1獨(dú)立濾波電感兩路輸出正激變換器

圖2耦合濾波電感的兩路輸出正激變換器

圖3

圖4圖3電路的歸一化電路

圖5圖4電路的重新排列

　　為了簡化設(shè)計(jì)，通常都使電感電流工作于連續(xù)狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載電流變化較大時，甚至在出現(xiàn)負(fù)載電流為零的場合下為使電路仍可以正常工作，則可在每路輸出接入一固定負(fù)載。

3多路輸出正激變換器耦合濾波電感的分析

　　對照圖1和圖2電路，圖2電路的L1、L2為繞在同一磁芯上的電感，且匝數(shù)比與Uin1、Uin2的匝數(shù)比相同，同名端如圖所示。

　　設(shè)：UV1a=UV1b=UV1=0.6V

UV2a=UV2b=UV2=1.0V

D=0.4UO1=5Vn=N2/N1=3:1

則有：Uin1=(UO1＋UV1)/D=5.6V/0.4

=14Vpp(2)

Uin2=Uin1·n=14×3=42Vpp(3)

UO2=Uin2·D－UV2=42×0.4－1.0=15.8V

　　在初級開關(guān)管導(dǎo)通時

UL1=Uin1－UV1－UO1=14－0.6－5=8.4V(4)

UL2=Uin2－UV2－UO2=42－1.0－15.8=25.2V(5)

　　在初級開關(guān)管截止時

UL1=－UD1－UV1=－0.6－5=－5.6V(6)

UL2=－UD2－UV2=－1.0－15.8=－16.8V(7)

　　注意：不論初級開關(guān)管導(dǎo)通還是截止，應(yīng)保證UL2/UL1總是為3∶1。如果耦合電感L2、L1的匝數(shù)比不能保證為3∶1，則在UO1和UO2之間存在附加的電流流動，從而在其輸出產(chǎn)生很大的輸出紋波?！?〕