【句句说戳中要害】资深工程师对Flyback反激电源各个层面上的分析与总结(一)

对于Flyback拓扑结构的诠释

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Flyback的五个最

●应用最多的变换器

生产数量、人均拥有量、总用电容量?

●性能最差的变换器

能效、电磁兼容性

●工况最差的变换器

硬开关、电压应力、电流应力、磁利用率、EMC应力

●任务最重的变换器

安规隔离、宽电压应用、PFC应用,待机

●最简单的变换器

还有比它更简单的隔离变换器?集成度越来越高、元件越来越少,做出来很容易,做好呢?

什么叫好?

●比别人做的好

●没有比这个更好

●为什么我做的总没别人做的好

●为什么有那么几个人做出来的反激就是明显比别人好

●我手上这个还能不能更好

●如果能证明这个不可能更好,那就是最好

开关电源很多指标

●效率、成本、安全、电磁兼容性、待机、能效、可靠性、稳定性、保护、体积(功率密度)、超薄、精度、纹波、电压调整率、负载调整率、交叉调整率、温度、寿命、功率因数、总谐波......

好不好,看效率

●效率做起来,才谈得上其他的

●先做好效率,再说其余

●牺牲效率的设计不是好设计

●效率是一点一点抠出来的

●对效率的追求,永远是值得的

●多花点时间优化效率,就是效率

效率能做到多高呢?

●很多人以88%为标准,几年前的标准

●估计现在能批量出货的应该在90%以上,才有竞争力

●有的人轻易就能做到91、92%以上去

●还有个别人,一不小心就做到93%以上去,所谓高手

定一个设计标杆:整机效率94%

●觉得太高?那就93%,不能再低

●这是一个在特定情况下可以实现的整机效率

●这是一个难以实现的整机效率。

●即使没能实现,我们也应该知道自己的差距

●即使没能实现,我们也应该知道为什么没能实现,是哪些因素导致的

什么在影响反激的效率?

漏感

●漏感问题是反激变换器的基本问题。漏感是硬伤。要实现高效率,控制漏感是重头戏。先做好漏感,再说其余。

●漏感有多大?意味着能量传递损失多大,变换器效率损失有多大,钳位电路热损耗有多大。这都是额外的,其他变换器没有的。

较大的峰值电流 Ipk

●反激的峰值电流较之其他拓扑更大,原因是其储能/释能这种间歇工作模式决定的,占空比较小。

●临界模式、断续模式、PFC控制、宽电压应用更加剧了峰值电流应力。

●峰值电流决定一个反激变压器的磁应力,导致磁利用率较低。

●峰值电流还与开关(以及副边二极管)导通损耗直接相对应。

较高的原边电压应力

●反激的原边电压应力较之其他拓扑更大,原因是反射电压、漏感尖峰电压叠加在输入电压上,导致开关电压应力为输入电压的1.5~2倍。

●这导致:

a)硬开关动作的损耗剧增(因各种寄生电容导致的损耗增加2~4倍)

b)开关内寄生二极管反向恢复电流激增(导致关断损耗激增)。

c)必须使用耐压高出1.5~2倍的开关,其饱和压降大幅度提高,导通损耗剧增。

更高的副边二极管电压应力

●反激的副边二极管电压应力更是增加得离谱,按市电AC/DC变换的典型参数,这个电压应力更是高到了其输出电压的3到5倍,还可能有可观的尖峰电压叠加。

●这导致:

a)二极管翻转动作的损耗剧增(因各种寄生电容导致的损耗增加10~30倍)

b)二极管反向恢复电流激增(不要相信此处没有反向恢复的说法)

c)必须使用耐压高出输出电压几倍的二极管,其饱和压降大幅度提高,导通损耗剧增

拓扑环境层面的设计考虑

高效率的反激设计应该比一般设计更注意仔细追究拓扑应用环境,这是因为对效率的极限追求也是对其应用环境的极限追求,要让电路工作处于最明确、最舒适、最能扬长避短、最能发挥到极限的环境。

1、选择一个较软的拓扑控制模式。准谐振(QR)模式是首选,而CCM、CRM模式可能效率较低。其他诸如谐振模式、无损钳位模式、Sepic模式等,由于技术尚不成熟一般不予考虑。

2、输出电压较低时,副边考虑同步整流是好主意

3、尽量考虑采用专用控制芯片、有口碑的芯片、原边控制的芯片。避免使用6562、3842这样的通用芯片去做反激,用一大堆运放达成的控制环路更是不可取。不是因为这些芯片不能用,而是要伺候这些芯片是很难受的。

4、认真论证你的最低输入电压,也就是最大峰值电流 Ipk 的取值。全电压的必要性,过渡模式(CCM模式)的必要性,限流模式(OCP模式)的必要性,控制转折点设置在哪里?任何时候都不要让 Ipk 失控。开机冲击和短路冲击对 Ipk 的影响也要考虑。

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5、认真论证你的最高输入电压,市电AC/DC应用按264Vac做显然是有问题的,小区电压飙到264Vac以上是经常的。建议按277Vac(必要时再增加一点余量)考虑。

6、认真论证你的最高输出电压,或者CV/CC模式的最大输出功率。充分考虑各种情况下输出电压意外飙高的可能性,并选择一款OVP嗨得住的芯片。OVP是否嗨得住,不仅涉及最高输出电压带来的最高电压应力、功率应力,还直接关乎假负载的损耗功率。

最高输出电压就是脱离OVP保护模式后的第一个电压。

电路运行层面的设计考虑

1、输入回路干净利落,避免热敏电阻、保险电阻的设计,硅桥要电流稍大的。共模差模带来的损耗要斤斤计较,一级两级、个大个小、线粗线细之间的差别是很大的。这还涉及EMC设计水平,如何做到用最少的共模差模解决问题?

2、开关的选型,MOS最好是外置的,这样方便选型和控制。内阻(Rdson)尽量小一点,Cool-MOSc也是可以的。最重要的是耐压,市电 AC/DC 典型应用,MOS 耐压首选 650V 的,耐压更低的应该嗨不住,耐压更高的特性急剧恶化,其价格、内阻都是很难接受的。

3、驱动能力要足够,Rg下拉、上拉电阻要分开(上拉电阻与二极管并联后串下拉电阻)。关断要干净利落,一定不能让米勒平台出现在 Ipk 位置。

4、在高压端通过电阻实现的电压采样、VCC启动、线电压补偿、安规电容放电等电路是要耗电的。副边假负载、副边采样控制电路也是要耗电的。这些电路要优化,其能耗要追究。

5、最敏感的电流采样、过零(谷底)采样、FB采样电路要精心布置,电路要简洁,阻抗要匹配,杂散参数影响要小,PCB要安静。这是因为高效率电路对这些细微的控制有更高的要求,不能出问题。

6、各部波形要正常,没有奇怪的、离谱的东西。环路、高PFC电路的主要参数要调试好,主要指标 PF 和 THD 要基本达到要求,工作稳定,不能有振荡,在这个前提下做的效率优化才有意义。

7、在最后优化效果出来前,(在经验不足时)某些要影响效率的次要电路可以先裸奔。比如:磁珠要取消、DS上并联的电容要取消、差模共模可短路、钳位功率最小化(降低电压运行看情况)、副边二极管吸收电路不连接(用高耐压二极管先代替看情况)、假负载功率最小化,CS采样电阻最小化(非OCP模式),甚至VCC供电和副边控制电路用电可考虑用电池组临时供电。以免这些电路的设置不合理影响主电路运行工况,造成误判。

精彩内容未完待续......

本文转载自:张飞实战电子
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