RCC變換器原理與技術(shù)應(yīng)用

1、RCC變換器原理與技術(shù)應(yīng)用姜然一、開關(guān)電源的自激振蕩狀態(tài)北京理工大學(xué) 李建峰RCC(RINGING CHOKE CONVERTER)是一種非定頻電源，在國(guó)內(nèi)有很多場(chǎng)合應(yīng)用。220V市電壓整流濾波電路產(chǎn)生的300V直流電壓分兩路輸出：一路通過開關(guān)壓器T1初級(jí)繞組加到開關(guān)管Q2的漏極（D極）；另一路通過啟動(dòng)電阻R1加到開關(guān)管Q2柵極（G極），使Q2導(dǎo)通。開關(guān)管Q2導(dǎo)通后，其集成電極流在開關(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T13腳上的正脈沖電壓通過C5、R8加到Q2的G極與源極（S極）之間，使Q2漏極電流進(jìn)一步增大，于是開關(guān)管

2、Q2在正反饋雪崩過程的作用下，迅速進(jìn)入飽和狀態(tài)。開關(guān)管Q2在飽和期間，開關(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。由于正反饋雪崩過程時(shí)間極短，定時(shí)電容C5來不及充電（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)C5充電，隨著C5充電的不斷進(jìn)行，其兩端電位差升高。于是Q2以導(dǎo)通回路被切斷，使Q2退出飽和狀態(tài)。開關(guān)管Q2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，于是開關(guān)變壓器T1各個(gè)繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反相，正反饋繞組3端負(fù)的脈沖電壓與定時(shí)電容C5所充的電壓疊加后，使Q2迅速截止。開關(guān)

3、管Q2在截止期間，定時(shí)電容C5放電，以便為下一個(gè)正反饋電壓（驅(qū)動(dòng)電壓）提供電路，保證開關(guān)管Q2能夠再次進(jìn)入飽和狀態(tài)。同時(shí)，開關(guān)變壓器T1初級(jí)繞組存儲(chǔ)的能量耦合到次級(jí)繞組并通過整流管整流后，向?yàn)V波電容提供能量。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)反鉛電動(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)。T13腳感生和正脈沖電壓通過正反饋回路，使開關(guān)管Q2又重新導(dǎo)通。因此，開關(guān)電源電路便工作在自激振蕩狀態(tài)。通過以上介紹可知，在自激振蕩狀態(tài)，開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間由定時(shí)電容C5充電時(shí)間決定；開關(guān)管截止時(shí)間，由C5放電時(shí)間決定。在開關(guān)管Q2截

4、止期間，開關(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。二、LCD板用超薄型DC-DC變換器中山航天電源有限公司 俞鴻懿1.間歇振蕩器式變換器電路技術(shù)(1)用間歇振蕩器構(gòu)成多輸出以往廣泛使用的DC-DC變換器,采用內(nèi)置包括驅(qū)動(dòng)電路、振蕩器、基準(zhǔn)電壓和比較器等功能的控制IC,通常是利用開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)接通/斷開，控制采用PWM技術(shù)。但是，對(duì)于要求小型化應(yīng)用的DC-DC變換器，這種控制IC成為電路小型化和低價(jià)位化的障礙，必須另謀出路。不使用控制IC的實(shí)現(xiàn)方法有自激式振鈴扼流變換器RCC，這種方式不需要控制IC，然而，在變壓器里需要原邊、副邊和反饋用3個(gè)線圈，即需要6個(gè)端點(diǎn)的高耦合度

5、變壓器。這種6端頭的變壓器很難實(shí)現(xiàn)低高度且小型化產(chǎn)品，而且在成本、外形結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)性等方面存在諸多問題，難以克服。日本村田公司開發(fā)的DC-DC變換器,不用控制IC(而是利用自激方式)；它為L(zhǎng)CD板開發(fā)的DC-DC變換器采用優(yōu)化電路，僅用4端結(jié)構(gòu)變壓器，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸出電壓。這種4端結(jié)構(gòu)的變壓器與RCC方式里使用的變壓器相比，在外形結(jié)構(gòu)上可實(shí)現(xiàn)小型化。具有經(jīng)濟(jì)性,是適用于薄型LCD板的一種優(yōu)化的小型且低封裝高度的DC-DC變換器。因?yàn)樵撟儞Q器使用間歇振蕩的電路結(jié)構(gòu)，故稱為間歇振蕩器變換器。詳見圖1所示的電路結(jié)構(gòu)。(2)電路特點(diǎn)a）經(jīng)濟(jì)/高效率作為DC-DC變換器的開關(guān)器件，通常即可用雙極晶體管也可

6、用 MOSFET晶體管?，F(xiàn)主要是試圖用于由1節(jié)干電池也可驅(qū)動(dòng)的低電壓電源，這種DC-DC變換器里的器件，適合于選用比MOSFET更低的電壓可驅(qū)動(dòng)的雙極晶體管。而且，驅(qū)動(dòng)電路采用雙極晶體管驅(qū)動(dòng)時(shí)，電路結(jié)構(gòu)可大幅度簡(jiǎn)化，顯得十分經(jīng)濟(jì)。當(dāng)采用雙極晶體管時(shí)，與MOSFET不同之處在于使開關(guān)器件工作需要足夠的驅(qū)動(dòng)電流,這種驅(qū)動(dòng)電流控制不好將導(dǎo)致大幅度降低變換器的效率。例如:恒定電流驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)負(fù)載很輕時(shí)，大量電流浪費(fèi)無用，結(jié)果輕負(fù)載時(shí)變換器的效率很低。為此，專門開發(fā)出一種新的驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)負(fù)載電流大時(shí)，相應(yīng)地調(diào)整開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路，可實(shí)現(xiàn)高效率。這種新型驅(qū)動(dòng)電路，隨負(fù)載模式可自適應(yīng)地調(diào)整到最佳狀態(tài)。從輕負(fù)

7、載到滿負(fù)載,它都具有高效率。b）快速響應(yīng)性使用控制IC的DC-DC變換器，根據(jù)輸出電流的大小，電抗線圈里流過的電流變動(dòng)很大。例如，可以是不連續(xù)的電流跳變到連續(xù)的電流，因此，要求控制電路閉環(huán)增益大幅度變化。然而，間歇振蕩器結(jié)構(gòu)的DC-DC變換器，即使是輸出電流由很小變到很大，經(jīng)常流經(jīng)電抗線圈里的電流變化較小，因此控制電路的閉環(huán)增益變化很小。結(jié)果對(duì)于輸出電流的變動(dòng),可以快速響應(yīng)。有對(duì)比試驗(yàn)證實(shí)間歇振蕩器結(jié)構(gòu)的DC-DC變換器能夠快速響應(yīng)。例如，同是輸出0.2A的脈沖電流時(shí)，對(duì)于使用PWN-IC的DC-DC變換器，其輸出端電壓波動(dòng)的峰值高達(dá)900mV。對(duì)于間歇振蕩器結(jié)構(gòu)的DC-DC變換器，其輸出電壓

8、的波動(dòng)范圍竟然小到200mV。2提高效率的技術(shù)(1)升壓同步整流當(dāng)把輸出電壓變換成比輸入電壓低的電壓時(shí)，稱該變換器電路為降壓型變換器電路。利用改進(jìn)效率的MOSFET等構(gòu)成的同步整流方法是比較普遍的。但是在把輸出電壓變換成比輸入電壓高的升壓型變換器里，一般仍然采用肖特基勢(shì)壘二極管Sbd作為整流器件。采用二極管整流固然簡(jiǎn)單，只是管壓降就能造成相當(dāng)可觀的損耗。例如一般肖特基二極管都有0.5V電壓降，為了提高效率，還是利用晶體管實(shí)現(xiàn)同步整流。由于是升壓同步整流電路，其整流部分僅消耗0.1V電壓降，損耗顯著降低。(2)備用時(shí)的高效率技術(shù)當(dāng)便攜式設(shè)備處于備用時(shí)，DC-DC變換器的負(fù)載電流非常小，力求實(shí)現(xiàn)低

9、功耗化。為了改進(jìn)這時(shí)的DC-DC變換器效率，設(shè)法降低開關(guān)損耗，當(dāng)處于備用狀態(tài)時(shí)，僅要求DC-DC變換器輸出很小的電流，可將工作模式切換成功耗節(jié)省模式(Power Save Mode)，以改善功耗,達(dá)到提高效率的目的。在間歇振蕩器結(jié)構(gòu)的變換器里，設(shè)計(jì)有Power Save Mode，明顯地改善了備用時(shí)的效率。例如當(dāng)輸出電流僅為1mA時(shí)，無Power Save Mode的DC-DC變換器，其效率約為10%左右；有Power Save Mode的，備用時(shí)的效率不低于45%。3力求節(jié)省空間(1)降低封裝高度近年來出現(xiàn)的筆記本PC機(jī)及便攜式產(chǎn)品終端都是采用緊湊的裝備結(jié)構(gòu)，要求所用的DC-DC變換器必須具

10、備很低的封裝高度。為此，把又高又大的變壓器嵌入DC-DC變換器基板，以便利用基板厚度吸收掉變壓器一部分高度。當(dāng)把DC-DC變換器裝配到母板上時(shí)，采取倒扣式裝配，DC-DC變換器的變壓器部分嵌入母板，從而獲得低高度的裝配，其母板的裝配高度僅為DC-DC變換器中的最高元件的高度(即變壓器的封裝高度)。(2)小型化技術(shù)由于從以往使用控制IC 的DC-DC變換器方案發(fā)展到如今的間歇振蕩器結(jié)構(gòu)的DC-DC變換器，電路規(guī)?？梢源蠓瓤s小，從而使變換器的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)小型化。三、滿足高能效標(biāo)準(zhǔn)的低功率充電器與適配器設(shè)計(jì)杭州動(dòng)之源科技開發(fā)有限公司 劉云美國(guó)和歐盟都出臺(tái)了多個(gè)低能耗標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)無負(fù)載功耗以及最小活

11、動(dòng)模式效率作出了嚴(yán)格規(guī)定，對(duì)功率充電器與適配器的設(shè)計(jì)帶來一定挑戰(zhàn)。在美國(guó)，各個(gè)州都實(shí)施了不同的能效規(guī)定，并通過增加其效率來減少這些設(shè)備的能耗。這些規(guī)定大多數(shù)均為非強(qiáng)制性的，且允許廠商用相應(yīng)的標(biāo)志(如美國(guó)的能源之星)來標(biāo)記其產(chǎn)品滿足這些要求。 美國(guó)加州能源委員會(huì)(CEC)最近推出了覆蓋各種產(chǎn)品(包括電冰箱、照明及音視頻產(chǎn)品等)的強(qiáng)制性能效標(biāo)準(zhǔn)。還包括一項(xiàng)用于單電壓、外部AC-AC及AC-DC電源的標(biāo)準(zhǔn)。從2006年7月起，所有在加州銷售的由單輸出外部適配器供電的新產(chǎn)品均必須滿足該強(qiáng)制性CEC標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)其他幾個(gè)州也正在考慮采用此項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。 該CEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了無負(fù)載功耗以及最小活動(dòng)模式效率。所有這三項(xiàng)

12、規(guī)定都根據(jù)電源的標(biāo)稱輸出功率指標(biāo)制定。必須滿足的效率值并不是簡(jiǎn)單的全負(fù)載效率，而是分別在25%、50%、75%及100%額定輸出功率上所測(cè)得的平均效率。這意味著，符合要求的電源必須在整個(gè)活動(dòng)模式工作范圍內(nèi)高效率地工作。對(duì)于通用輸入設(shè)計(jì)，必須在115VAC及230VAC兩種輸入上滿足該標(biāo)準(zhǔn)。所有這些要求使得該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)顯得特別嚴(yán)格。 盡管開關(guān)電源比線性電源效率更高，但設(shè)計(jì)一種在其大部分活動(dòng)模式范圍內(nèi)具有高效率及低無負(fù)載功耗的電源適配器仍極具挑戰(zhàn)。在功率低于50W時(shí)，回掃電路仍是一種最具成本效益的電路拓?fù)?。回掃轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)方法有多種，并比較材料成本、元件數(shù)、設(shè)計(jì)復(fù)雜性、整體效率及無負(fù)載功耗。 振鈴扼流變換器(RCC)的材料成本似乎很有吸引力，但還必須考慮其整體系統(tǒng)成本。RCC設(shè)計(jì)不僅最復(fù)雜而且很難進(jìn)行可靠的大批量生產(chǎn)，且常常還伴有嚴(yán)重的良品率問題。高器件數(shù)要求采用通孔及表面貼裝元件，從而增加了裝配的時(shí)間及成本。最重要的是，RCC轉(zhuǎn)換器擁有較差的輕負(fù)載效率及較高的無負(fù)載功耗。隨著RCC的負(fù)載減小，其開關(guān)頻率升高，這會(huì)增加開關(guān)損耗并降低效率。要滿足這些新要求，必須設(shè)計(jì)一種更加復(fù)雜的RCC，或其滿負(fù)載效率必須很高以補(bǔ)償在其他測(cè)試點(diǎn)上的低效率。在無負(fù)載情況下，啟動(dòng)電路(通常是一串與直流電壓相連的高阻值電阻)中的損耗會(huì)減少電源中其他損耗的余量，這些因素