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一種新型的TDK改善交叉調(diào)制率的多路輸出解決方案

發(fā)布時(shí)間:2016-04-28 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】多路輸出的開關(guān)電源因其體積小、性價(jià)比高廣泛應(yīng)用于小功率的各種復(fù)雜電子系統(tǒng)中。然而伴隨著現(xiàn)代電子系統(tǒng)發(fā)展,其對(duì)多路輸出電源的要求越來(lái)越高,如體積、效率、輸出電壓精度、負(fù)載能力、交叉調(diào)整率、紋波和噪聲等。下面介紹一種TDK-Lambda新型的改善交叉調(diào)制率的多路輸出解決方案,此方案可以使得用無(wú)源方法進(jìn)一步提高交叉調(diào)整率。
 
其中,交叉調(diào)整率是指當(dāng)多路輸出電源的一路負(fù)載電流變化時(shí)整個(gè)電源各路輸出電壓的變化率,是考核多路輸出電源的重要性能指標(biāo)。受變壓器各個(gè)繞組間的漏感、繞組的電阻、電流回路寄生參數(shù)等影響,多路輸出電源的交叉調(diào)整率一直以來(lái)是多路輸出開關(guān)電源的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。
 
目前改進(jìn)交叉調(diào)整率的方法可分為無(wú)源和有源兩類。有源的方法需要增加額外的線性穩(wěn)壓或開關(guān)穩(wěn)壓電路,雖然可以得到較高的交叉調(diào)整率,但卻是以犧牲電源的效率、成本為代價(jià)的,且從可靠性和復(fù)雜性也不如無(wú)源的方法好。提起無(wú)源交叉調(diào)整率優(yōu)化方法,有經(jīng)驗(yàn)的工程師首先會(huì)想到輸出電壓加權(quán)反饋控制,其次如果選用反激電路還會(huì)通過優(yōu)化變壓器各繞組耦合以及優(yōu)化嵌位電路來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化交叉調(diào)整率,如果選用的是正激電路則會(huì)將各路輸出濾波電感耦合在一起來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化交叉調(diào)整率??墒钱?dāng)以上優(yōu)化措施均已采用了,還是無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求時(shí),通常只好無(wú)奈地添加假負(fù)載用效率來(lái)?yè)Q取交叉調(diào)整率,或改選為成本較高的有源的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。
 
如圖1所示,對(duì)于匝數(shù)相等的兩個(gè)輸出繞組(Ns1=Ns2),我們?cè)趦蓚€(gè)跳變的同名端跨接一個(gè)電容C1,這樣可以很好地改善交叉調(diào)整率。
 
 
一種新型的TDK改善交叉調(diào)制率的多路輸出解決方案
 
 
對(duì)于圖1所示的反激變換器,考慮其各繞組的漏感,可等效為圖2所示電路,Lleak1、Lleak2和Lleak3分別繞組Ns1、Ns2和Np的漏感。
 
 
一種新型的TDK改善交叉調(diào)制率的多路輸出解決方案
 
 
由于Ns1=Ns2,在電源整個(gè)工作過程中,始終有Vs1=Vs2,所以電路可以等效為圖3所示,其中Is1和Is2分別為流過繞組Ns1和Ns2的電流。
 
 
一種新型的TDK改善交叉調(diào)制率的多路輸出解決方案
 
 
電源穩(wěn)定工作時(shí),電感Lleak1和Lleak2兩端的平均電壓為0V,所以電容C1兩端的平均直流電壓也為0V。隨著電容C1容值的增大,電容上的紋波電壓會(huì)越來(lái)越小,所以Vo1會(huì)越來(lái)越接近Vo2,即電源的交叉調(diào)整率隨著C1容值的增大會(huì)越來(lái)越好。
 
為了便于分析,我們做出如下假設(shè):
 
1、忽略電路中二極管的壓降,認(rèn)為壓降為0V。
 
2、電容C1的容值很大,使得C1和漏感Lleak1和Lleak2的諧振周期大于SW1的開關(guān)周期。
 
3、Vo2輸出電壓為反饋檢測(cè)電壓,保持不變,Vo2負(fù)載較重,Vo1為輕負(fù)載,Vo1>Vo2。
 
基于上面假設(shè),電源工作期間副邊各元件的電流將如圖4所示,Is1和Is2分別為流過繞組Ns1和Ns2的電流,Ip為變壓器原邊電流,ID1和ID2分別為流經(jīng)D1和D2的電流,Vc1是電容C1上的電壓。
 
一種新型的TDK改善交叉調(diào)制率的多路輸出解決方案
 (注:本圖僅示意電壓電流的變化方向)
 
為了便于確定電路的初始狀態(tài),我們以t5時(shí)刻作為電源工作周期的開始,在t5時(shí)刻二極管D1的電流變?yōu)?,電容C1上的電壓Vc1此時(shí)處于最高值,且有:
 
Vo2 + Vc1 = Vo1
 
在二極管D1截止后,副邊電路可進(jìn)一步等效為圖5所示電路。因?yàn)閂s
 
 
一種新型的TDK改善交叉調(diào)制率的多路輸出解決方案
 
 
到t6時(shí)刻原邊開SW1關(guān)閉合后,Vs電壓被感應(yīng)為負(fù)值(如圖6所示)。在SW1閉合期間電源分兩個(gè)階段工作:變壓器電流由副邊繞組向原邊繞組換流(t6~t7)階段和變壓器儲(chǔ)能(t7~t9)階段。
 
 
一種新型的TDK改善交叉調(diào)制率的多路輸出解決方案
 
在t6~t7期間,ID2>0,二極管D2繼續(xù)導(dǎo)通,由關(guān)系式
 
一種新型的TDK改善交叉調(diào)制率的多路輸出解決方案
 
可知,電流Is1和Is2都快速下降,直到t7時(shí)刻ID1=Is2+Is1=0時(shí),二極管反向截止,副邊繞組向原邊繞組換流階段結(jié)束。
 
在t7~t9階段,二極管D2反向截止,電流Is1與Is2大小相等,反向相反。
 
Is2=-Is1
 
電容C1與漏感Lleak1+Lleak2諧振放電,由于變壓器副邊到原邊換流后Is2仍較大,所以Vc1很快在t8時(shí)刻有正電壓變?yōu)樨?fù)電壓,并反向充電,同時(shí)電流Is2=-Is1開始減小,直到t9(也就是t0)時(shí)刻SW1關(guān)斷。
 
在t0時(shí)刻SW1關(guān)斷,變壓器進(jìn)入由原邊向副邊的換流階段,Vs>Vo2>Vo2+Vc1(此時(shí)Vc1<0),二極管D2開始,導(dǎo)通,電流Is1和Is2迅速增大,t1時(shí)刻Is1由負(fù)變?yōu)檎⒔?jīng)C1和D2流向Vo2(如圖7所示)。t2時(shí)刻換流結(jié)束,此時(shí)有
 
一種新型的TDK改善交叉調(diào)制率的多路輸出解決方案
 
當(dāng)變壓器原邊電流向副邊換流結(jié)束后,Vs
 
到t3時(shí)刻電容電壓充電到Vs=Vc1+Vo2,并且隨著Vc1的增加有Vs
 
 
一種新型的TDK改善交叉調(diào)制率的多路輸出解決方案
 
 
t4時(shí)刻,二極管D1開始導(dǎo)通, 副邊電路又等效為圖3,電流Is1經(jīng)D1流向Vo1, C1電壓被嵌位在Vc1=Vo1-Vo2,而Is1繼續(xù)減小,直到t5時(shí)刻,Is1=0,二極管D1反向截止,電源完成一個(gè)開關(guān)周期的工作。
 
圖8為SW1關(guān)斷期間副邊各支路平均電流流向圖。繞組Ns1和Ns2在輸出的平均電流分別為:
 
Is1=Io1+Ic1
 
Is2=Io2-Ic1
 
由圖4中Vc1的波形可知,在開關(guān)SW1關(guān)斷期間,電容C1的電壓Vc1負(fù)變值為了正值,所以 Ic1>0, 所以可以得出:繞組間跨接電容C1后,在開關(guān)SW1關(guān)斷期間,輸出輕負(fù)載的繞組Ns1的實(shí)際負(fù)載加重了,而輸出重負(fù)載的繞組Ns2的實(shí)際負(fù)載減輕了,所以會(huì)使得交叉調(diào)整率得以改善。
 
 
一種新型的TDK改善交叉調(diào)制率的多路輸出解決方案
 
 
目前此方案已經(jīng)成功地應(yīng)用到了TDK-lambda 的CUT75系列產(chǎn)品上。
 
以CUT75-522為例,電源使用環(huán)境如下:
 
輸入電壓:85 ~ 265VAC或 120 ~ 370VDC。
 
負(fù)載范圍: 5V: 0 ~ 8A;
 
+12V: 0 ~ 3A;
 
-12V: 0 ~ 1A。
 
工作溫度:-20 ~ 70℃。
 
通過采在繞組間跨接電容,用無(wú)源的方法成功地將+12V和-12V的交叉調(diào)整率做到了±5%以內(nèi)。下面表1為電源在各種輸出負(fù)載情況下,實(shí)測(cè)的各路輸出電壓的最高值和最低值,以及基于實(shí)測(cè)值計(jì)算的交叉調(diào)整率。
 
表1
一種新型的TDK改善交叉調(diào)制率的多路輸出解決方案
 
同時(shí)因?yàn)樵诶@組間跨接電容,可以使得CUT75系列電源在滿足交叉調(diào)整率的情況下,能夠把電源內(nèi)部的假負(fù)載降到了幾乎為零,所以有效的提高了電源的效率,從而使得電源的體積可以做的更小。CUT75系列電源在輸入電壓200VAC時(shí)滿載效率實(shí)測(cè)值已經(jīng)做到了85%,比市場(chǎng)上同類產(chǎn)品提高了約5%,其體積自然也比市場(chǎng)上同類產(chǎn)品要小。
 
市場(chǎng)上能夠滿足±5%交叉調(diào)整率的同類產(chǎn)品,多采用有源的方法來(lái)優(yōu)化交叉調(diào)整率,而CUT75系列電源采用的是無(wú)源的方法,相比之下CUT75系列電源在可靠性方面更具優(yōu)勢(shì)。
 
一種新型的TDK改善交叉調(diào)制率的多路輸出解決方案
CUT75系列電源實(shí)物圖
 
鄭重聲明:
 
此文章僅供學(xué)習(xí)使用,文章中講述的交叉調(diào)整率優(yōu)化方案TDK-Lambda公司已經(jīng)申請(qǐng)了專利,受法律保護(hù),請(qǐng)勿侵權(quán)!來(lái)源:電子技術(shù)設(shè)計(jì)。


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