如何設計CCM反激式轉(zhuǎn)換器

本期，我們將聚焦于

CCM 反激式轉(zhuǎn)換器設計

探討CCM 反激式轉(zhuǎn)換器

在中等功耗隔離應用中的優(yōu)勢

并提供53Vdc 至 12V/5A

CCM反激式轉(zhuǎn)換器的功率級設計公式

連續(xù)導通模式 (CCM) 反激式轉(zhuǎn)換器通常用于中等功耗的隔離型應用。與不連續(xù)導通模式 (DCM) 運行相比，CCM 運行的特點是具有更低的峰值開關電流、更低的輸入和輸出電容、更低的 EMI以及更窄的工作占空比范圍。由于具有這些優(yōu)點并且成本低廉，它們已廣泛應用于商業(yè)和工業(yè)領域。本文將提供之前在電源設計小貼士：反激式轉(zhuǎn)換器設計注意事項中討論過的53Vdc至12V/5A CCM 反激式轉(zhuǎn)換器的功率級設計公式。

圖 1 展示了工作頻率為 250kHz 的 60W 反激式轉(zhuǎn)換器的詳細原理圖。所選占空比在最低輸入電壓 (51V) 和最大負載時最大，為 50%。雖然也可以在超過 50% 占空比的情況下運行，但在本設計中無此必要。由于 57V 的高壓線路輸入電壓相對較低，因此在 CCM 運行時，占空比只會降低幾個百分點。但如果負載大幅降低，轉(zhuǎn)換器進 DCM 運行模式，占空比就會顯著降低。

圖 1. 60W CCM 反激式轉(zhuǎn)換器原理圖

設計規(guī)格

為防止磁芯飽和，繞組開/關時間的伏秒積必須保持平衡。這等于方程式 1：

方程式 1

將dmax設置為 0.5 并計算Nps12（Npri: N12V）和Nps14（Npri: N14V）的匝數(shù)比，如方程式 2 和方程式 3所示：

方程式 2

方程式 3

變壓器匝數(shù)比現(xiàn)已設定（方程式 4 和方程式 5），因此可計算出工作占空比和 FET 電壓。

方程式 4

方程式 5

Vdsmax 表示 FET Q2 漏極上無振鈴的“平頂”電壓。振鈴通常與變壓器漏電感、寄生電容（T1、Q1、D1）和開關速度有關。選擇 200V FET 時，F(xiàn)ET 電壓會再降低 25% 至 50%。變壓器繞組之間必須實現(xiàn)良好耦合，如有可能，最大漏電感必須為 1% 或更低，以更大限度地減少振鈴。

當 Q2 導通時，二極管 D1 的反向電壓應力等于方程式 6：

方程式 6

由于漏電感、二極管電容和反向恢復特性的影響，當次級繞組擺幅為負時，振鈴現(xiàn)象很常見。具體請參閱方程式 7。

方程式 7

我選擇了額定值為 30A/45V 的 D2PAK 封裝，以便在 10A 電流下將正向壓降減至 0.33V。功率耗散等于方程式 8：

方程式 8

建議使用散熱器或氣流進行適當?shù)臒峁芾?。初級電感的計算公式為方程?9：

方程式 9

POUTMIN 是轉(zhuǎn)換器進入 DCM 的位置，通常為POUTMAX 的 20% 至 30%。

初級峰值電流出現(xiàn)在 VINMIN 時，等于：

方程式 10

這對于確定最大電流檢測電阻 (R18) 值而言是必要的，能夠防止控制器的初級過流 (OC) 保護電路跳閘。對于 UCC3809，R18 兩端的電壓不能超過 0.9V，以保證全輸出功率。在本例中，我選擇 0.18Ω。也可以使用更小的電阻，以減少功率損耗。但過小的電阻會增加噪聲靈敏度，并使 OC 閾值處于高電平，有可能導致變壓器飽和，更糟糕的是，甚至會導致 OC 故障期間出現(xiàn)與應力相關的電路故障。電流檢測電阻耗散的功率為方程式 11：

方程式 11

根據(jù)方程式 12 和方程式 13 估算FET 導通損耗和關斷開關損耗：

方程式 12

方程式 13

與 Coss相關的損耗計算有些模糊，因為該電容具有相當高的非線性度，會隨著 Vds 的增加而降低，在本設計中估計為 0.2W。

電容器要求通常包括計算最大均方根電流、獲得預期紋波電壓所需的最小電容以及瞬態(tài)保持。輸出電容和 IOUTRMS的計算公式為方程式 14 和方程式 15：

方程式 14

方程式 15

可以僅使用陶瓷電容器，但在直流偏置效應后需要 7 個陶瓷電容器才能實現(xiàn) 83μF。因此，我只選擇了足以處理均方根電流的電容器，然后使用了電感器-電容器濾波器來降低輸出紋波電壓并改善負載瞬態(tài)。如果存在較大的負載瞬態(tài)，可能需要額外的輸出電容來減少壓降。

輸入電容等于方程式 16：

方程式 16

同樣，您必須考慮會損耗電容的直流偏置效應。如方程式 17 所示，均方根電流約為：

方程式 17

圖 2 展示了原型轉(zhuǎn)換器的效率，而圖 3 展示了反激式評估板。

圖 2. 轉(zhuǎn)換器的效率和損耗決定了

封裝的選擇和散熱要求

圖 3. 60W 反激式評估硬件尺寸為

100mm x 35mm

要選擇合適的補償元件值

結(jié)語

本設計示例介紹了功能性 CCM 反激式設計的基本元件計算。然而，初始估算通常需要反復計算，以便進行微調(diào)。不過，為了獲得運行良好且優(yōu)化的反激式轉(zhuǎn)換器，在變壓器設計和控制環(huán)路穩(wěn)定等方面，往往還需要做更多的細節(jié)工作。