如何从主电感变压器产生辅助电源(2)

时间:2011-01-27 09:09来源:世纪电源网

摘要:二极管D2在内部LX电源开关断开时导通,因此输出与输入电压的变化无关。选择合适的电容C7以便在电源开关的最长闭合期间提供输出。由于D1的正向压降随温度和负载电流变化,所以次级输出有2%至3%的变化。由于变压器的N1和N2是直流隔离的,额外输出可以以任何直流电压为参考。对于一个给定的电感值,主电路...

二极管D2在内部LX电源开关断开时导通,因此输出与输入电压的变化无关。选择合适的电容C7以便在电源开关的最长闭合期间提供输出。由于D1的正向压降随温度和负载电流变化,所以次级输出有2%至3%的变化。由于变压器的N1和N2是直流隔离的,额外输出可以以任何直流电压为参考。
对于一个给定的电感值,主电路初级电感的非连续电流将限制辅助电源输出端的次级功率。换句话说,D1在反激周期结束时必须保持导通。当出现非连续电流时,D1的正向电流变为0,LX引脚上的电压不再被箝制,从而有可能损坏主降压转换器IC。
当内部LX开关从闭合转为断开时,次级负载将引起初级电流发生变化。如图4中所示,初级电流的阶跃为:
IXTRA=PSEC(D×VLX)
其中,D为占空比,PSEC为次级功率,VLX为LX处峰值电压的偏移。
原则上讲,匝数比的选择有很大灵活性,但实际上,标准1:1变压器具有适当电感值和峰值电流值,这使得1:1成为最常用的匝数比。

                             如何从主电感变压器产生辅助电源(电子工程专辑)
                                                          图6.图5电路中的电感和电荷泵产生的电流波形
需要注意额外负载是如何引起初级波纹电流变化的。图4中的粗线简略描述了具有有效辅助电源输出的主电感电流波形的变化。总之,由主电感变压器产生辅助电源输出的优势在于:
1)具有正或负辅助电源输出;2)准稳压辅助电源输出;3)辅助电源输出与主电源输出隔离,辅助电源输出可以以地或主电源正输出为参考;4)由主降压转换电路设置电感值;5)使用现成的标准1:1变压器。
缺点:1)初级波纹电流增大,增加了非连续电流的出现时间;2)辅助电源输出有最小负载的要求;3)主电源正输出有最小负载的要求以维持LX的开关操作。

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图7.C5、D2、C6和L2组成了一个SEPIC拓扑

由电荷泵产生负辅助电源输出
LX端电压的偏移可被用来产生提供非稳压辅助负输出的电荷泵的输入源。由于LX处的电压没有与VIN的变化隔离,所以额外输出为非稳压输出。图5给出了额外的电荷泵电路。
当电源开关在电源周期开始时关闭,电流经R6流过C7,并以斜坡形式开始流入电感L1(图6)。当D1在反激周期中导通时,C7内的电荷转移到C8和负载。R6是一个很重要的附加元件,它限制流过C7的峰值电流。如果没有R6,电流值将超过电源开关的电流限制,导致电源周期的提前结束,甚至关闭被保护的降压转换器(如MAX5035)。由于R5和C7的存在,非稳压电荷泵的源电阻为:

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VOUT_MAIN等于主降压转换电路的输出。

因此有:

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如果电容值在1至10μF的范围内,R1将成为主要的源阻抗。输出波纹几乎全部由C8的ESR引起。由于电荷泵为非稳压型,所以可能需要用线性稳压器连接输出,以提供经过调节的负输出。这种配置的优势包括可以使用s小型元件,且成本比1:1变压器结构电路更低。
然而,其缺点在于:
1)非稳压输出,在输出处需要额外的稳压器;2)要求很高的峰值电流(约为4×IOUT_AVE)以产生合适的辅助负载电流;3)只提供负的辅助电源输出;4)只能以地为参考;5)辅助电源输出具有最小负载的要求以免产生过电压毛刺;6)主电源正输出具有最小负载的要求以维持LX的开关操作。
SEPIC辅助电源
通过让次级电感L2与主降压转换电路中的电感L1共享同一磁芯,并由此具有相同磁通量,也可从LX引脚上获得负输出。在图7中,C5、D2、C6和L2组成一个单端初级电感转换器(SEPIC)拓扑。在LX引脚上驱动正输出降压转换的转换信号,与驱动负输出的信号具有相同电压。在开关导通期间,L1上的电压等于VLX-VOUT;在开关断开期间,电压等于VOUT+VDIODE_1。通过1:1变压器,该电压也被加到L2上,并与D2和C5一起产生VOUT输出。由于L1和L2线圈耦合得并不非常理想,所以C5可以提供SEPIC连接并改善一般反激式辅助电源输出的稳压效果。
这里需要选择合适的耦合电容(C5)以使C5上电压波纹很低,所选的C5值为辅助负载电流占空比和时钟周期的函数。

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若VIN=15V,波纹为1%,输出电流为200mA,T=8μs(MAX5035),DMIN=0.3,则有C5MIN=3.2μF。本例选择10μF的C5MIN。
这一系统的优势在于:1)准稳压输出;2)电感电流波形“干净”,噪声更小;3)由于采用耦合电感,波纹减少;4)只需单个的磁元件(现成的1:1变压器)。
系统的缺点在于:
1)只提供-VOUT;2)输出以地为参考。
上述例子虽然选用了MAX5035,但也可以采用输出电压更低的MAX5033,但输出电压有所降低。以下是对三种技术的总结:
反激式辅助电源输出:为让辅助电源输出的参考电压完全独立,在主降压转换电感中增加了线圈、肖特基二极管和电容的反激电路非常有吸引力,且输出经过了适当稳压。通过采用1:1变压器(对MAX5035采用的变压器为Cooper Bussmann DRQ125-101),辅助电源输出可以等于以地或主VOUT为参考的±VOUT。辅助电源输出电流最高可达主电源输出电流的20%,但是主电感电流有一些失真。
电荷泵反相器:这是成本最低的一个方案(没有额外的电感线圈)。由于高峰值电流和电压与该拓扑相关,所以该方案适用于低功率输出。开路时的输出约为-VIN,并随着辅助电源输出上负载的增大而降低。建议最大负载为主电源正输出的5%或更小。
耦合电感的SEPIC辅助电源输出:该方案在接地系统上并不通用,耦合电感SEPIC拓扑仅提供以地为参考的稳压输出-VOUT。稳压效果优于反激式方案,且电感电流波形失真小。辅助电源输出电流可达到主电源输出的20%,耦合电感还有助于减小辅助电源输出的波纹。
主电源正输出必须始终保持在有效状态,且主降压转换电感上必须有连续电流。辅助电源输出要求额外的峰值电流,这点在考虑主电源输出的最小负载和辅助电源输出的最大负载时要特别注意。



 

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