典型返馳式拓撲設計——實(shí)現最佳化電源

　　第叁，運算一次側電感，以保持盡可能高的右半平面零點(diǎn)（RHP），因而大幅地提高閉環(huán)穿越頻率。

　　實(shí)際上，第一個(gè)標準只用于特殊情況，而選擇的磁化電感可作為變壓器尺寸、峰值電流和RHP零點(diǎn)之間的最佳折衷。

　　為了確定二次側最大紋波電流來(lái)計算一次側和二次側電感，可用以下公式計算出二次側電感（）和一次側電感（）：

　?。?）

　　公式中是開(kāi)關(guān)頻率，是允許的二次側紋波電流，通常設置在約為輸出電流有效值的30-50％：

　?。?）

　　那么，等效一次側電感可從以下公式獲得：

　?。?0）

　　如前所述，一次側電感和佔空比會(huì )影響右半平面零點(diǎn)（RHP）。RHP增加了閉環(huán)控制特性的相位滯后，迫使最大穿越頻率不超過(guò)RHP頻率的1/4。

　　RHP是佔空比、負載和電感的函數，可引發(fā)和增加迴路增益，同時(shí)降低迴路相位裕度。通常的做法是確定最差情況的RHPZ頻率，并設置迴路單位增益頻率低于RHPZ的叁分之一。

　　在返馳式拓樸結構中，運算RHPZ的公式是：

　?。?1）

　　可以選擇一次側電感來(lái)削弱這種不良效果。

　　圖3的曲線(xiàn)顯示一次側電感對一次側和二次側電流和RHP零點(diǎn)的影響：隨著(zhù)電感的增加紋波電流會(huì )減少，因此輸入/輸出紋波電壓和電容器大小也可能減少。但增加的電感增加了變壓器一次側二次側繞組數，同時(shí)減少了RHP零點(diǎn)。

　　圖3：典型返馳式設計一次側、二次側紋波電流、RHP零點(diǎn)與一次側電感的關(guān)係。

　　一般建議不應使用過(guò)大的電感，以免影響整個(gè)系統的整體閉環(huán)性能和尺寸，以及返馳式變壓器的損耗。上述圖形和公式只在連續導通模式下的返馳式執行才有效。

　　選擇功率開(kāi)關(guān)MOSFET并計算其損耗

　　MOSFET的選擇基于最大應力電壓、最大峰值輸入電流、總功率損耗、最大允許工作溫度，以及驅動(dòng)器的電流驅動(dòng)能力。MOSFET的源汲擊穿（Vds）必須大于：

　?。?2）

　　MOSFET的連續漏電流（Id）必須大于一次側峰值電流（公式15）。

　　除了最大額定電壓和最大額定電流，MOSFET的其他叁個(gè)重要參數是Rds（on）、閘極閾值電壓和閘極電容器。

　　開(kāi)關(guān)MOSFET的損耗有叁種類(lèi)型，即導通損耗、開(kāi)關(guān)損耗和閘極電荷損耗：

　　導通損耗等于損耗，因此在導通狀態(tài)下源極和汲極之間的總電阻要盡可能最低。

　　開(kāi)關(guān)損耗等于：開(kāi)關(guān)時(shí)間*Vds*I*頻率。開(kāi)關(guān)時(shí)間、上升時(shí)間和下降時(shí)間是MOSFET閘汲極米勒電荷Qgd、驅動(dòng)器內部電阻和閾值電壓的函數，最小閘極電壓Vgs（th）有助于電流通過(guò)MOSFET的漏源極。

　　閘極電荷損耗是由閘極電容器充電，以及隨后的每個(gè)週期對地放電引起的。閘極電荷損耗等于：頻率* Qg（tot）* Vdr

　　不幸的是，電阻最低的元件往往有較高的閘極電容器。

　　開(kāi)關(guān)損耗也會(huì )受閘極電容器的影響。如果閘極驅動(dòng)器對大容量電容器充電，則MOSFET需要時(shí)間進(jìn)行線(xiàn)性區提升，則損耗增加。上升時(shí)間越快，開(kāi)關(guān)損耗越低。不幸的是，這將導致高頻噪音。

　　導通損耗不取決于頻率，它還取決于和一次側RMS電流的平方：

　?。?3）

　　在連續導通模式下，返馳式執行的一次側電流看來(lái)像圖4上部所示的梯形波形。

　　Ib等于一次側峰值電流：

　　Ia是從以上的公式（5）得出的平均電流，減去一半ΔIp電流為：

　?。?6）

　　那么開(kāi)關(guān)管的RMS電流可從下式得到：

　?。?7）

　　或其迅速接近：

　?。?8）

　　開(kāi)關(guān)損耗（）取決于轉換期間的電壓和電流、開(kāi)關(guān)頻率和開(kāi)關(guān)時(shí)間，如圖4所示。

　　圖4：換向期間MOSFET兩端的電流和電壓波形。

　　在導通期間，MOSFET兩端的電壓為輸入電壓加反映在一次側的輸出電壓，電流等于平均中間最高電流減去一半ΔIp：

　?。?9）

　?。?0）

　　在關(guān)閉過(guò)程中，MOSFET兩端的電壓為輸入電壓加反映在一次側繞組的輸出電壓，再加上用于箝位的齊納箝位電壓和吸收漏電感。開(kāi)關(guān)管切斷電流為一次側峰值電流。

　?。?1）

　　開(kāi)關(guān)時(shí)間取決于最大閘極驅動(dòng)電流和MOSFET的總閘極電荷，MOSFET寄生電容器是調節M(mǎn)OSFET開(kāi)關(guān)時(shí)間的最重要的參數。電容器Cgs和Cgd取決于元件的幾何尺寸并與源極電壓成反比。

　　通常MOSFET製造商沒(méi)有直接提供這些電容器值，但是可以從Ciss、Coss和Crss值獲得。

　　導通開(kāi)關(guān)時(shí)間可以使用下列公式用閘極電荷來(lái)估計：

　?。?2）

　?。?3）

　　公式中：

　　Qgd是閘漏極電荷

　　Qgs是閘源極電荷

　　是當驅動(dòng)電壓被拉升至驅動(dòng)電壓時(shí)的導通時(shí)間驅動(dòng)電阻

　　是當驅動(dòng)電壓被下拉至接地電壓時(shí)的內部驅動(dòng)電阻

　　是閘源極閾值電壓（MOSFET開(kāi)始導通的閘極電壓）

　　緩衝器：

　　漏電感可以被看作是與變壓器的一次側電感串聯(lián)的寄生電感，其一次側電感的一部份沒(méi)有與二次側電感相互耦合。當開(kāi)關(guān)MOSFET關(guān)閉時(shí)，儲存在一次側電感中的能量透過(guò)正向偏置二極體流動(dòng)到二次側和負載。儲存在漏電感中的能量則變成了開(kāi)關(guān)接腳（MOSFET汲極）上巨大的電壓尖峰。漏電感可以透過(guò)短路二次側繞組來(lái)進(jìn)行測量，而一次側電感的測量通常由變壓器製造商給出。

　　耗散漏電感能量的一種常用方法是透過(guò)一個(gè)與一次側繞組并聯(lián)的齊納二極體來(lái)阻斷與之串聯(lián)的二極體實(shí)現的，如圖5所示。

　?。▓D5：齊納箝位電路）

　　漏電感能量必須透過(guò)一個(gè)外部箝位緩衝器來(lái)耗散：

　　

　?。?4）

　　齊納電壓應低于開(kāi)關(guān)MOSFET的最大漏源電壓減去最大輸入電壓，但要高到足以在很短的時(shí)間內耗散這一能量才可以。

　　齊納

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