反激式轉(zhuǎn)換器適用于電池供電的CCD應(yīng)用

本文介紹反激式電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)，以從四個(gè)AAA電池操作CCD設(shè)備，例如數(shù)碼相機(jī)。MAX752和多路輸出變壓器提供+15V、-7.5V和5V電壓。首次通過設(shè)計(jì)在低輸入電壓下效率低，Lx引腳上的電壓尖峰較大。使用二極管可改善低電壓下的 MOSFET 操作。由于非理想變壓器動(dòng)作引起的反激式尖峰由緩沖器網(wǎng)絡(luò)控制。效率曲線顯示，在 50 歐姆負(fù)載和 5.25V 輸入下，效率曲線大于 80%。MAX752工作在170kHz。輸入電壓范圍為 3.5V 至 6.5V。

反激式電源可以產(chǎn)生多個(gè)電壓，以支持使用電荷耦合器件進(jìn)行成像的產(chǎn)品。

使用電荷耦合器件 （CCD） 進(jìn)行成像的產(chǎn)品需要多個(gè)電源電壓，例如 15V、-7.5V 和 5V。用于產(chǎn)生這些電壓的電源電路具有四個(gè)AAA堿性電池的電源，并產(chǎn)生3.5V至6.5V的輸入電壓范圍。

所討論的電源是反激式變壓器類型，以兩步循環(huán)運(yùn)行。第一步將能量存儲(chǔ)在變壓器的初級(jí)（充當(dāng)電感器）中，第二步將能量從次級(jí)傳輸?shù)截?fù)載。選擇反激式變壓器的鐵芯以最小的損耗存儲(chǔ)和傳輸能量。

由于反激式電源的核心是其變壓器，因此應(yīng)在設(shè)計(jì)早期確定變壓器規(guī)格。這使變壓器供應(yīng)商有足夠的時(shí)間來優(yōu)化尺寸、成本、損耗和溫升。一般來說，除非你有經(jīng)驗(yàn)或有能力進(jìn)行多次迭代，否則您不應(yīng)該進(jìn)行反激式變壓器的設(shè)計(jì)。以下幾個(gè)項(xiàng)目定義了轉(zhuǎn)換器：

輸出數(shù)量。此設(shè)計(jì)要求 5.5V/0.1A、15V/0.015A 和 -7.5V/0.015A。

電源轉(zhuǎn)換IC的類型及其工作頻率。例如，本電路的MAX752是一款工作頻率為170kHz的電流模式脈寬調(diào)制器（PWM）。

次級(jí)設(shè)備中使用的整流器類型。低成本的1N4148型低電流二極管在中等電流水平下下降約1V，肖特基整流器在較高電流水平下下降約0.5V。無論哪種方式，固定整流器損耗都由反激式變壓器的匝數(shù)比補(bǔ)償。

首程設(shè)計(jì)（圖1）給出了良好的結(jié)果，但低VIN下的效率水平和IC1的Lx引腳上的高壓尖峰除外。這些缺點(diǎn)可以通過更好地了解反激式變壓器和IC的內(nèi)部電路來抵消。后續(xù)附圖摘自MAX752數(shù)據(jù)資料（圖2），有助于了解低輸入電壓下的效率下降。一個(gè)開關(guān) MOSFET 處理大部分電流，另一個(gè)采樣一小部分用于電流控制環(huán)路。

圖1.針對(duì)電池供電CCD應(yīng)用的反激式電源設(shè)計(jì)。

圖2.MAX752內(nèi)部細(xì)節(jié)

要接通 n 溝道 MOSFET，必須將其柵極電位提高到源極電位以上。導(dǎo)通電阻隨著柵極電壓的增加而減小，因此較高的柵極電壓通過降低內(nèi)部功耗來提高效率。例如，測(cè)試表明，低輸入電壓（3.5V）不能為MAX752開關(guān)MOSFET的完全導(dǎo)通提供足夠的柵極電壓。作為一種解決方案，D4和D5允許在輸入電壓降至4.75V以下時(shí)施加5.5V電源。（請(qǐng)參閱圖 3。這種從輸出為 DC-DC 轉(zhuǎn)換器供電的技術(shù)稱為“自舉”。正如預(yù)期的那樣，電源電壓越高，效率就越高。

圖 3.用于電池供電 CCD 應(yīng)用的反激式電源的最終設(shè)計(jì)。

當(dāng)內(nèi)部MOSFET關(guān)斷時(shí)，重輸出負(fù)載會(huì)導(dǎo)致MAX752 Lx引腳上的尖峰大于20V。必須糾正這些尖峰，因?yàn)樗鼈兂^了器件的最大擊穿電壓。尖峰持續(xù)時(shí)間很短，但為了長期可靠性，必須理解和抑制它們。

高壓尖峰源自反激式變壓器，其初級(jí)電路由簡化模型表示。（請(qǐng)參閱圖 4。為清楚起見，MAX752中的MOSFET被簡單的機(jī)械開關(guān)所取代。能量在反激循環(huán)的第一部分存儲(chǔ)在初級(jí)中，并在 S1 打開時(shí)從核心通過次級(jí)傳輸?shù)截?fù)載。

圖4.反激式變壓器初級(jí)變壓器模型。

理想的變壓器將所有初級(jí)側(cè)能量傳輸?shù)酱渭?jí)，但實(shí)際變壓器的不完美耦合僅允許部分傳輸。這種畸變建模為漏感（Ls），可儲(chǔ)存能量并產(chǎn)生感應(yīng)“踢”，當(dāng)電源開關(guān)打開時(shí)，該“踢”表現(xiàn)為短暫的高壓尖峰。

良好的變壓器設(shè)計(jì)包括雙繞組技術(shù)、適當(dāng)?shù)膸缀涡螤詈驼_的繞組放置。這些措施可以最大限度地減少，但不能消除漏感。您應(yīng)該預(yù)期泄漏等于初級(jí)電感的 1% 到 2%，并記住存儲(chǔ)的能量是 1/2Lsi 2。電路必須控制該能量，同時(shí)防止形成破壞性的高電壓。

通常包括一個(gè)稱為緩沖器的電路，以吸收漏感的能量。最簡單的緩沖器（圖5）是反激式變壓器初級(jí)端上的電阻。這種方法很少使用，因?yàn)?a target="_blank">電阻器不斷浪費(fèi)能量，變熱并降低效率。更好的解決方案是串聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)，其時(shí)間常數(shù)可以調(diào)整為僅在短時(shí)間內(nèi)提供緩沖。RC緩沖器減少了損耗，但它在上升沿和下降沿上都緩沖了損耗。所需要的是一個(gè)僅在上升邊緣運(yùn)行的緩沖器。

Figure 5. Snubber circuits for flyback transformers.

帶有串聯(lián)二極管的并聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)形成一個(gè)緩沖器，僅在上升方向上耗散功率，但特別關(guān)注功率效率的設(shè)計(jì)人員可能會(huì)反對(duì)以這種方式浪費(fèi)感應(yīng)踢能量。為什么不引導(dǎo)能量并使用它呢？這個(gè)目標(biāo)可以通過在初級(jí)和次級(jí)之間的小電容來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)初級(jí)側(cè)電源開關(guān)斷開時(shí)，每個(gè)變壓器繞組兩端的電壓極性反轉(zhuǎn)，允許功率從每個(gè)次級(jí)傳輸?shù)狡湄?fù)載。小電容器允許電感踢耦合到變壓器上。該能量與次級(jí)輸出電壓同相，迅速通過每個(gè)次級(jí)整流器到達(dá)輸出電容。

下圖（圖6）中的曲線顯示了4.5V和5.0V之間的輕微拐點(diǎn)，因?yàn)樽耘e二極管（D4和D5）將IC功率從輸出電壓轉(zhuǎn)換為輸入電壓。由于該設(shè)計(jì)對(duì)反饋未直接檢測(cè)的次級(jí)輸出的調(diào)節(jié)性能較差，因此最適合僅要求對(duì)一個(gè)輸出進(jìn)行嚴(yán)格調(diào)節(jié)的系統(tǒng)。非穩(wěn)壓輸出響應(yīng)主輸出端的負(fù)載變化而移動(dòng)，但能很好地調(diào)節(jié)源電壓的變化。這種“線路調(diào)節(jié)”是電池供電系統(tǒng)的主要關(guān)注點(diǎn)，因此該電路是小型、高效、多輸出電源的理想選擇。

圖6.效率與電源電壓的關(guān)系。