第7章-RCC電源變壓器的設(shè)計(jì)

1、2021/8/141PWM/MOS復(fù)合單片TOPSwitchn概述 TOPSwitch器件是美國(guó)功率集成公司（POWERIntegrationsInc），于90年代中期推出的新型高頻開(kāi)關(guān)電源芯片。它是三端脫線(xiàn)式PWM開(kāi)關(guān)的英文縮寫(xiě)（ThreeterminalofflinePWMSwitch）。它的特點(diǎn)是將高頻開(kāi)關(guān)電源中的PWM控制器和MOSFET功率開(kāi)關(guān)管集成在同一芯片上，是一種二合一器件。這大大簡(jiǎn)化了電源電路，提高了可靠性，使得電源的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單快捷。2021/8/142TOPSwitch原理原理nTOPSwitch器件有多種封裝形式，采用DIP8和SMD8封裝的，中間4只為空腳，可以將它們

2、接到印刷電路板的銅箔上，將芯片產(chǎn)生的熱量直接傳到印刷電路板上，不必另設(shè)散熱器，節(jié)省了成本。n采用TO220封裝的，只有3只管腳，使用起來(lái)就和一只大功率三極管一樣便利。此外由于PWM控制器和MOSFET功率開(kāi)關(guān)管是在管殼內(nèi)連接的，連線(xiàn)極短，這就消除了高頻輻射現(xiàn)象，改善了電源的電磁兼容性能，減小了器件對(duì)電路板布局和輸入總線(xiàn)瞬變的要求。TOPSwitchII是TOPSwitch的改進(jìn)型號(hào)，它將單電壓輸入時(shí)的最大功率100W提高到150W，電磁兼容性也得到增強(qiáng)，該器件具有更高的性能價(jià)格比。TOPSwitchII器件包括TOP225TOP227等幾個(gè)型號(hào)，主要差別就在于輸出功率的不同。TOPSwitch

3、II。2021/8/143TOPSwitch內(nèi)部框圖內(nèi)部框圖2021/8/144TOPSwitch的產(chǎn)品分類(lèi)及最大輸出功率POM 2021/8/145TOPSwitch主要特性主要特性n常用的有TO-220封裝2PIN，也有DIP8封裝形式的；n固定集成100KHz脈寬調(diào)制；n工作原理： 內(nèi)部輸出MOS管占空比是隨著輸出控制腳的電流增加而線(xiàn)形地減小，來(lái)完成控制、偏置和保護(hù)；2021/8/146RCC電源的特點(diǎn)n電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉；n自激振蕩動(dòng)作，控制電路無(wú)需輔助電源；n外部條件的改變會(huì)引起工作頻率較大的變化；n功率轉(zhuǎn)換效率較低，不適合大功率；n噪聲集中在低頻段。2021/8/147RCC電

4、源原理圖2021/8/148RCC變換器電路原理與應(yīng)用變換器電路原理與應(yīng)用1n開(kāi)關(guān)電源的自激振蕩狀態(tài) 220V市電壓整流濾波電路產(chǎn)生的300V直流電壓分兩路輸出：一路通過(guò)開(kāi)關(guān)壓器T1初級(jí)繞組加到開(kāi)關(guān)管Q1的漏極（D極）；另一路通過(guò)啟動(dòng)電阻R1加到開(kāi)關(guān)管Q1柵極（G極），使Q1導(dǎo)通。n 開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通后，其集成電極流在開(kāi)關(guān)變壓器T1初級(jí)組上產(chǎn)生1正、2負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于互感，T1正反饋繞組相應(yīng)產(chǎn)生3正、4負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。于是T1的3腳上的正脈沖電壓通過(guò)C1、R4加到Q1的G極與源極（S極）之間，使Q1漏極電流進(jìn)一步增大，于是開(kāi)關(guān)管Q1在正反饋雪崩過(guò)程的作用下，迅速進(jìn)入飽和狀態(tài)。2021/8/1

5、49RCC變換器電路原理與應(yīng)用變換器電路原理與應(yīng)用2n開(kāi)關(guān)管Q1在飽和期間，開(kāi)關(guān)變壓器T1次級(jí)繞組所接的整流濾波電路因感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反相而截止，于是電能便以磁能的方式存儲(chǔ)在T1初級(jí)繞組內(nèi)部。由于正反饋雪崩過(guò)程時(shí)間極短，定時(shí)電容C1來(lái)不及充 電（等效于短路）。在Q2進(jìn)入飽和狀態(tài)后，正反饋繞組上的感應(yīng)電壓對(duì)C1充電，隨著C1充電的不斷進(jìn)行，其兩端電位差升高。于是Q1的導(dǎo)通回路被切斷，使Q1退出飽和狀態(tài)。2021/8/1410RCC變換器電路原理與應(yīng)用變換器電路原理與應(yīng)用3n開(kāi)關(guān)管Q1退出飽和狀態(tài)后，其內(nèi)阻增大，導(dǎo)致漏極電流進(jìn)一步下降。由于電感中的電流不能突變，于是開(kāi)關(guān)變壓器T1各個(gè)繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反相

6、，正反饋繞組3端負(fù)的脈沖電壓與定時(shí)電容C1所充的電壓疊加后，使Q1迅速截止。2021/8/1411RCC變換器電路原理與應(yīng)用變換器電路原理與應(yīng)用4n開(kāi)關(guān)管Q1在截止期間，定時(shí)電容C1放電，以便為下一個(gè)正反饋電壓（ 驅(qū)動(dòng)電壓）提供電路，保證開(kāi)關(guān)管Q1能夠再次進(jìn)入飽和狀態(tài)。同時(shí)，開(kāi)關(guān)變壓器T1初級(jí)繞組存儲(chǔ)的能量耦合到次級(jí)繞組并通過(guò)整流管整流后，向?yàn)V波電容提供能量。2021/8/1412RCC變換器電路原理與應(yīng)用變換器電路原理與應(yīng)用5n當(dāng)初級(jí)繞組的能量下降到一定值時(shí)，根據(jù)電感中的電流不能突變的原理，初級(jí)繞組便產(chǎn)生一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)，以抵抗電流的下降，該電流在T1初級(jí)繞組產(chǎn)生1正、2負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。T1的

7、3腳感生和正脈沖電壓通過(guò)正反饋回路，使開(kāi)關(guān)管Q1又重新導(dǎo)通。因此，開(kāi)關(guān)電源電路便工作在自激振蕩狀態(tài)。2021/8/1413RCC變換器電路原理與應(yīng)用變換器電路原理與應(yīng)用6n通過(guò)以上介紹可知，在自激振蕩狀態(tài)，開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間由定時(shí)電容C1充電時(shí)間決定；開(kāi)關(guān)管截止時(shí)間，由C1放電時(shí)間決定。n在開(kāi)關(guān)管Q1截止期間，開(kāi)關(guān)變壓器T1初級(jí)繞組存儲(chǔ)的能量經(jīng)次級(jí)繞組的耦合，二極管整流供負(fù)載。2021/8/1414RCC的簡(jiǎn)單示意圖2021/8/1415電路中Q2的作用？n本電路中Q2主要起什么做用呢？ 它的作用是：若開(kāi)關(guān)管Q1的漏極電流使R3上的電壓將Vr3超過(guò)Q2的Vbe，則Q2導(dǎo)通，從而構(gòu)成Q1柵極電流分

8、支，并起到限制Q1的漏極電流過(guò)高的穩(wěn)流作用。2021/8/1416變壓器參數(shù)的計(jì)算n變壓器在設(shè)計(jì)時(shí)一般先取RCC電路的振蕩頻率和晶體管工作的占空比。有經(jīng)驗(yàn)的工程師一般取f為2040KHz；D為0.5左右， 為0.60.8。n變壓器的初級(jí)峰值電流：一般初級(jí)峰值電流為電源輸入電流平均值的4倍，輸出峰值電流也為額定輸出電流的4倍，所以：Ip=4Po/（Vinmin ）這里的,Po：輸出功率，W； Vinmin：輸入最小電壓，V； ：變壓器的效率，這里取0.6。2021/8/1417變壓器的初級(jí)/次級(jí)電感量n變壓器初級(jí)電感量為：Lp=（Vinmin/Ip）Ton這里的，Vinmin：輸出的最小電壓，V

9、； Ton：變壓器的導(dǎo)通時(shí)間，S。n變壓器次級(jí)電感量為：Iop=4 IoLs=（Vo+Vf）Toff/Iop這里的，Vo：輸出電壓的額定值，V； Vf：輸出整流管壓降，V；2021/8/1418變壓器初級(jí)繞組計(jì)算n初級(jí)繞組Np的計(jì)算： Np=（VinTon）108/ BAe這里的，Vinmin：為電源電壓，V； Ton：變壓器的導(dǎo)通時(shí)間，S； B：磁芯的磁通密度，mT； Ae：磁芯的有效截面積，cm2。2021/8/1419次級(jí)繞組的計(jì)算n次級(jí)繞組Ns的計(jì)算： Ns=Po（Vo+Vf）/Vinmin2Io Np一般更多的使用： Ns= （Ls/Lp） Np這里的，Po：輸出的總功率，W； Vf：整流管的壓降，V； ：變壓器的效率； Vinmin：最小輸入電壓，V； Io：輸出電流，A。2021/8/1420變壓器的氣隙計(jì)算n變壓器的氣隙為：Lg=43.14AeNp210-8/Lp這里的， Ae：變壓器磁心有效截面積，cm2；2021/8/1421現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)題n設(shè)計(jì)一款變壓器：1、輸入：AC90265V；采用RCC變壓器；2