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反激變換器的驅(qū)動(dòng)緩沖設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)單回顧一下反激變換的基本原理,F(xiàn)lyback拓?fù)湓从诹N基本DC-DC電路之一的Buck-Boost,如下圖所示,Buck-boost電路在連續(xù)模式(CCM)下的直流增益是-D/(1-D),輸出電壓極性相反,如果對(duì)Buck-Boost進(jìn)行隔離化,同時(shí)使變壓器的線圈匝數(shù)可變并變換輸出極性,就得到了一個(gè)Flyback電路。

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Flyback的工作模式也和大多數(shù)開(kāi)關(guān)電源一樣,可以工作在連續(xù)模式(CCM)、斷續(xù)模式(DCM)和臨界導(dǎo)通模式(BCM)。如下圖所示,以工作在連續(xù)模式(CCM)的反激為例,可以看到理想的變壓器模型中還會(huì)存在漏感,實(shí)際等效電路中還包括了RCD snubber吸收(增加阻尼,降低Q值),次邊的寄生電感Ls與續(xù)流二極管串聯(lián)(包含了雜散電感、副邊漏感),以及圖中未表示完全的各種寄生的感抗與容抗分布參數(shù)。下圖給出了驅(qū)動(dòng)信號(hào)DRV、原邊電流Ip、次邊電流Is、原邊功率極的漏端電壓Vds_P和次邊同步整流管的Vds_S(或續(xù)流二極管的反向壓差)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),從t0~t2階段,勵(lì)磁電感Lm儲(chǔ)能;t2~t4階段,勵(lì)磁電感儲(chǔ)存的能量通過(guò)變壓器傳遞到副邊給輸出電容充電。圖中的t2~t3示意性給出了實(shí)際工作中存在的換流過(guò)程。

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為什么要加?xùn)艠O的驅(qū)動(dòng)緩沖

幾乎在所有的推薦的可靠性設(shè)計(jì)中,圖2中的功率極Q1的驅(qū)動(dòng)都會(huì)增加一個(gè)驅(qū)動(dòng)電阻和反偏的二極管構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)緩沖,二極管看起來(lái)是必要的,這是為了加速關(guān)斷,因?yàn)楫?dāng)功率管關(guān)斷后,Q1的漏極電壓會(huì)迅速上升,即Vds_P,Cgd中存儲(chǔ)的電荷會(huì)通過(guò)二極管迅速泄放而不必通過(guò)驅(qū)動(dòng)電阻Rg。電阻Rg主要是為了調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)速度,阻抗必須提供足夠的阻尼,來(lái)降低驅(qū)動(dòng)環(huán)路中因寄生電感存在的電壓或電流振蕩,降低回路Q值;同時(shí)又不能太大,以免mos關(guān)斷后產(chǎn)生很大的dv/dt使得MOS誤開(kāi)通,而且太大的電阻增加系統(tǒng)在較高頻率時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗。除此之外,驅(qū)動(dòng)緩沖還涉及以下方面的考慮:

01

優(yōu)化EMI性能

EMI包括傳導(dǎo)和輻射,前者通過(guò)寄生阻抗和其他連接以傳導(dǎo)方式耦合到原件,后者通過(guò)磁場(chǎng)能量以無(wú)線方式傳輸?shù)酱郎y(cè)器件。

回顧下麥克斯韋方程組中的法拉第電磁感應(yīng)定律:穿過(guò)一個(gè)曲面的磁通的變化會(huì)在此曲面的任意邊界路徑上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生環(huán)繞的電場(chǎng)。對(duì)于輻射而言,每個(gè)環(huán)路都是一個(gè)小的天線,環(huán)路面積的大小、負(fù)載電流的大小、測(cè)試距離的遠(yuǎn)近、工作頻率的高低、測(cè)試方向夾角的差異,都會(huì)對(duì)輻射產(chǎn)生影響。通過(guò)布局的優(yōu)化、降低di/dt和dv/dt噪聲、增加EMI濾波等都可以優(yōu)化EMI。

02

降低次邊續(xù)流功率二極管的電壓應(yīng)力

如果反激工作在深度的CCM連續(xù)模式(啟動(dòng)、短路輸出、低壓滿載),在次邊二極管續(xù)流結(jié)束后原邊開(kāi)啟之間的換流階段,次邊功率二極管的反向恢復(fù)電流會(huì)達(dá)到一個(gè)峰值Irr然后恢復(fù)到0,而二極管正向電流下降的速率會(huì)影響反向恢復(fù)時(shí)電流下降的速率,該di/dt會(huì)在與次邊二極管串聯(lián)的總電感上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),產(chǎn)生電壓尖峰VRP。

3

高的電壓尖峰會(huì)對(duì)次邊二極管的應(yīng)力提出挑戰(zhàn),如果單純?yōu)榱丝垢呒夥咫妷憾x擇反向耐壓更高的續(xù)流二極管或同步整流管,不僅會(huì)增加正向?qū)〞r(shí)的損耗,也會(huì)在不停的電流換向過(guò)程中產(chǎn)生損耗,還增加了成本。

03

從電路設(shè)計(jì)的角度出發(fā)可做哪些優(yōu)化?

通過(guò)上述分析可以知道,通過(guò)增加驅(qū)動(dòng)緩沖,在驅(qū)動(dòng)速度上做調(diào)整,以獲得EMI性能、次邊應(yīng)力和整機(jī)效率的最佳折中點(diǎn)。
當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)外部所有的參數(shù)都優(yōu)化到最佳后,需要在電路設(shè)計(jì)層面盡可能為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供便利。EMI的改善可以通過(guò)頻譜的搬移來(lái)實(shí)現(xiàn),也就是常說(shuō)的抖頻和抖峰值電流,但是柵極驅(qū)動(dòng)電阻不僅會(huì)帶來(lái)一個(gè)元器件的增加,在不同功率的應(yīng)用場(chǎng)合下,功率器件的Qg也會(huì)有差異,比如Qg為20nC和40nC的兩種MOS,同樣用1A的電流進(jìn)行驅(qū)動(dòng),前者需要20ns而后者需要40ns,這帶來(lái)的di/dt和dv/dt顯然是不同的,因此,電路設(shè)計(jì)中的開(kāi)關(guān),要盡可能地“軟”,軟到某些應(yīng)用場(chǎng)合下甚至可以省略驅(qū)動(dòng)緩沖中的電阻Rg,最好的做法是能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)不同MOS時(shí)速度的自動(dòng)調(diào)整。

實(shí)現(xiàn)這種驅(qū)動(dòng)速度調(diào)整的方法有很多,比如可以集成一個(gè)簡(jiǎn)單的逐次逼近的SAR ADC,通過(guò)一個(gè)時(shí)鐘沿觸發(fā)異步時(shí)鐘,通過(guò)SAR邏輯的控制,對(duì)驅(qū)動(dòng)MOS的柵極信號(hào)從0到Miller平臺(tái)到來(lái)之間的時(shí)間差進(jìn)行量化,通過(guò)閉環(huán)與目標(biāo)值進(jìn)行比較進(jìn)行調(diào)整,直到驅(qū)動(dòng)速度穩(wěn)定;也可以直接對(duì)表征上升沿速度的脈沖信號(hào)進(jìn)行低通濾波獲得表征占空比信息的電壓信號(hào),對(duì)此電壓信號(hào)進(jìn)行誤差調(diào)整。

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