馬文超

（中科芯集成電路有限公司，江蘇 無錫 214072）

0 引言

傳統(tǒng)正激變換器工作在磁特性的第一象限，磁芯利用效率低，功率管硬開關(guān)工作，需要額外的磁復(fù)位電路，存在電磁干擾大、磁復(fù)位電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功率管損耗大和承受較高的電壓應(yīng)力等缺點(diǎn)[1]。在傳統(tǒng)有源鉗位正激變換器拓?fù)浠A(chǔ)上，增加由鉗位功率管與鉗位電容串聯(lián)構(gòu)成的有源鉗位支路，構(gòu)成了有源鉗位正激變換器，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)克服了傳統(tǒng)正激變換器的缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)伏秒平衡，占空比可以大于50%，由于添加了鉗位電容和鉗位功率管，主功率管承受的電壓應(yīng)力減小，有源鉗位變換器原邊上的電壓是有規(guī)律的方波，能夠?yàn)楦边呎鞴芴峁┳则?qū)動信號，降低了同步整流電路的復(fù)雜度，而且實(shí)現(xiàn)了ZVS，降低了電磁輻射[2-3]，因此，有源鉗位正激變化器拓?fù)湓趯?shí)際工程中獲得了廣泛應(yīng)用[1，4]。

針對有源鉗位正激變化器，周睿對該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理進(jìn)行了分析，給出了變壓器等關(guān)鍵器件關(guān)鍵指標(biāo)設(shè)計方法[4]，陳光亮對有源鉗位正激軟開關(guān)工作原理進(jìn)行深入剖析[5]，以LMC5025C 為主控電路，對環(huán)路外圍配置進(jìn)行了說明，給出了仿真結(jié)論。綜上分析，以上研究對該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要還是偏向于理論方面的分析，或者只針對個別外圍元件選型進(jìn)行了研究，電路整體設(shè)計思路不夠清晰明確。在實(shí)際工程應(yīng)用方面，除了變壓器、輸出濾波電感等磁性元器件的選型外，還涉及功率管選型、功率管驅(qū)動電路設(shè)計、輸出濾波電容、鉗位電容等主要器件的設(shè)計。本文在理論分析基礎(chǔ)上，依托實(shí)際應(yīng)用，先明確關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)，再給出主要器件的設(shè)計方法和思路，對工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 有源鉗位正激變化器工作原理

有源鉗位正激變換器根據(jù)鉗位電路（鉗位電容與鉗位功率管串聯(lián)）的連接方式，分為低邊有源鉗位和高邊有源鉗位[6-7]，其電路結(jié)構(gòu)圖分別如圖1 和圖2 所示。低邊有源鉗位電路由一個P 溝通功率MOSFET 和一個鉗位電容串聯(lián)，再并聯(lián)在主功率管的兩端，又稱為升壓式鉗位電路；高邊有源鉗位電路有一個N 溝通MOSFET 和一個鉗位電容串聯(lián)，再并聯(lián)在變壓器的兩端，又稱為反激式鉗位電路。由于低邊有源鉗位電路驅(qū)動電路簡單，不需要加驅(qū)動電路，而且市面上有多種針對有源鉗位電路的P 管供選擇，因此，低邊有源鉗位電路用途最廣，本文以此種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

在工程應(yīng)用中，輸出部分大多采用同步整流來提高轉(zhuǎn)換器效率，因此，從圖1 中衍生出圖3 這種比較實(shí)用的拓?fù)鋱D。

圖3中，N1、N2分別為變壓器初級和次級繞組匝數(shù)，Lm和Lr為勵磁電感和變壓器漏感，S1 和S2 為主功率管和鉗位管（復(fù)位開關(guān)），D1 和D2 為功率管體二極管，Cc和Cr為鉗位電容和主功率管并聯(lián)電容（結(jié)電容和寄生電容之和），D3和D4是輸出整流管體二極管，Lo、Co和Ro為輸出濾波電感、輸出濾波電容和等效負(fù)載電阻，Vo為輸出電壓，Vin為輸入電壓，定義n=N1/N2為匝比，定義一個開關(guān)周期為Ts，S1 導(dǎo)通時間為Ton，占空比D=Ton/Ts，同時D=n×Vo/Vin，定義輸出電流紋波系數(shù)為kind。

彭國平、陳道煉和張磊等把有源鉗位的每個周期分為若干個階段[8-10]，對有源鉗位電路工作原理做了簡單介紹，并給出了不同階段勵磁電流、鉗位電容電壓的波形，這里基于以上分析進(jìn)行細(xì)分，給出每個階段的工作機(jī)理。

（1）T0～T1期間，S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷，S3導(dǎo)通，S4關(guān)斷，輸入電壓Vin直接施加在變壓器初級線圈，此時，變壓器次級繞組電壓為nVin，勵磁電流iLr線性上升，開關(guān)電流Is1為Im和負(fù)載折算到原邊的電流Io/n 之和，電容Cr電壓Vcr=0，能量從原邊傳遞到副邊。

（2）T1～T2期間，T1時刻S1軟關(guān)斷，S3 仍然處于導(dǎo)通狀態(tài)，電感Lr、Lm與電容Cr開始諧振，iLr對Cr開始充電，由于充電電流較大而Cr較小，當(dāng)Cr兩端電壓Vcr上升到Vin之前iLr繼續(xù)上升，T2時刻，Vcr=Vin，該過程結(jié)束。

（3）T2～T3期間，T2時刻，勵磁電流iLm被鉗位保持不變，而勵磁電感兩端的電壓v1下降到0 V，次級繞組v2=0 V，因此S3 和S4 都關(guān)斷，但D3 和D4 都導(dǎo)通，Lr和Cr諧振，Lm不參與，Vcr繼續(xù)上升，iLr開始減小，D3 中的電流較小，而D4 中的電流增加，負(fù)載電流從D3 轉(zhuǎn)移到D4，當(dāng)Vcr上升到Vin/(1-D)，該過程結(jié)束。

（4）T3～T4期間，T3時刻，D2開始導(dǎo)通，為鉗位功率管S2 零電壓開通提供了條件，v1仍然為0，iLr繼續(xù)減小并 對Cc充電，此時Lr與Cc諧振，T4時刻，S2 管ZVS 開通。

（5）T4～T5期間，Lr和Cc繼續(xù)諧振，iLr繼續(xù)減小，T5時刻，iLr=iLm，D3 中電流為0，D4 中電流上升為負(fù)載電流，兩者換流結(jié)束，變壓器初級的鉗位狀態(tài)結(jié)束。

（6）T5～T6期間，T5時刻，變壓器磁芯開始復(fù)位，初級測電壓v1=Vin-Vin/(1-D)=-VinD/(1-D)，v2=v1/n 也變?yōu)樨?fù)，S4 開通，D4 截止，期間，Lr、Lm和Cc諧振，iLr繼續(xù)減小，Vc會有小幅度 上升；T6時刻，iLr=0，Vc上升 到最大。

（7）T6～T7期間，T6時刻 后iLr開始反向，變壓器磁芯復(fù)位，存儲在勵磁電感和漏感中的能量回饋到電源中，T7時刻，S2斷開。

（8）T7～ T8期間，iLr通過Cr續(xù)流，S4 繼續(xù)導(dǎo)通，S3 保持關(guān)斷，Lr、Lm與Cr諧振，Cr向Lr和Lm放電，Cr兩端電壓 從Vin/(1-D)放電，T8時刻，iLr達(dá)到負(fù)向最大值，Vcr下降到Vin，此過程結(jié)束。

（9）T8～ T9期間，T8開始，v1被鉗位為0，則v2=0，Lr和Cr諧振，Lr兩端電壓變?yōu)檎?，iLr開始升高，D3 和D4都導(dǎo)通，D3 中的電流從0 開始上升，D4 中的電流從ILo開始減小，為了確保S1 達(dá)到ZVS，在S1 開通前，Vcr必須為0，即在本階段，Cr中的能量要在諧振過程中全部轉(zhuǎn)移出去。

（10）T9～T10，當(dāng)T9時，Vcr=0，S1 的體二極管D1開始導(dǎo)通，同時D3 和D4 也處于導(dǎo)通狀態(tài)，v2=0,故變壓器初級電壓扔被鉗位于0，因此Lr兩端電壓為Vin，iLr繼續(xù)上升但仍 為負(fù)，T10時，S1 ZVS 開通。

（11）T10～T11，iLr繼續(xù)上升到0。

（12）T12，T11～T0+Ts，D3 和D4 扔處于導(dǎo)通狀態(tài)，初級電壓扔被鉗位為0，Lr兩端電壓為Vin，iLr繼續(xù)上升，D3中電流也不斷上升，當(dāng)iS3上升到負(fù)載電流，iS4下降到0，兩者完成換流，結(jié)束時刻，iLr=iLm+ILo/n，變壓器初級鉗位解除，v1=Vin，v2=Vin/n，S3 開通，開始下一個周期。

2 關(guān)鍵元器件參數(shù)設(shè)計

本文基于案例指標(biāo)：輸入電壓Vin=18 V～36 V，輸出電壓Vout=12 V，負(fù)載電流Iload=2 A，工作頻率Fs=100 kHz，轉(zhuǎn)換效率η=80%，給出重要參數(shù)設(shè)計步驟。

2.1 最大占空比設(shè)計

鉗位電容兩端的電壓Vc如式（1）所示，主功率管漏源兩端承受的電壓Vds=Vc，磁復(fù)位電壓Vreset如式（2）所示，從數(shù)學(xué)分析的角度看，隨著D 的增加，Vds和Vreset的變換量也顯著，最大占空比工程上一般選擇Dmax=0.7 左右，這樣，Vds在整個輸入電壓范圍內(nèi)變化量不大。

2.2 功率變壓器設(shè) 計[3，11]

2.2.1 磁芯選擇

通常采用AP 法經(jīng)驗(yàn)公式來確定磁芯類型和規(guī)格，AP 法經(jīng)驗(yàn)公式為：

其中PT為變壓器視在功率（W）；AW為線圈有效窗口面積（cm2）；AC為磁芯有效截面積（cm2）；Kf為波形系數(shù)，這里取為4；KW為窗口系數(shù)即刺心窗口線圈的占空系數(shù)，一般選0.4；Fs為變換器開關(guān)頻率（kHz）；ΔB 為磁通變換量（T）；J 為流過導(dǎo)線的電流密度（A/cm2）。

可以算出PT=54 W，ΔB 取0.18 T，J 取400 A/cm2，可以計算出AP=0.046 8 cm4。

選 用TDK PC40，EE30 磁芯，查表可得AP=0.7995 cm4（AeAw），AC=109 mm2，AW=73.7 mm2。

2.2.2 初級匝數(shù)、次級匝數(shù)和導(dǎo)線選擇

匝數(shù)比可按照式(5)計算：

原邊線圈匝數(shù)為：

AC=109 mm2=1.09 cm2代入公式計算，可以計算出N1=10.7（匝），取N1=11 匝。

二是對于農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物方面，2006年4月，我國實(shí)行了《中華人民共和國農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全法》。該法第三十條規(guī)定，“屬于農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物的農(nóng)產(chǎn)品，應(yīng)當(dāng)按照農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物安全管理的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行標(biāo)識”。而關(guān)于農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物，目前主要有《農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物安全管理?xiàng)l例 》和《農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物標(biāo)識管理辦法》兩個法規(guī)。主要規(guī)定國家對農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物實(shí)行標(biāo)識制度。未標(biāo)識和不按規(guī)定標(biāo)識的，不得進(jìn)口和銷售。說明在農(nóng)產(chǎn)品方面，我國實(shí)行嚴(yán)格的標(biāo)識制度。并對標(biāo)識方法和標(biāo)識范圍進(jìn)行了規(guī)定。

次邊線圈匝數(shù)：

計算出N2=10.5，取N2=11，則n=1。

初級輸入電流峰值為：

電流有效值為：

可以算出Irmsl=2.8 A。

初級側(cè)導(dǎo)線截面積為：

J=400 A/cm2=4 A/mm2，計算出Sm1=0.7 mm2。

則d1=0.944 mm。

算出Irms2=1.67 A。

算出Sm2=0.42 mm2，則d2=0.648 mm。

導(dǎo)線集膚深度按照式(14)得出，為0.21 mm。

初次級導(dǎo)線直徑都大于2 倍集膚深度，不能直接采用上述計算的導(dǎo)線直徑，因此需要采用多股并繞；查AWG表，可以看出d1對應(yīng)18 AWG，d2對應(yīng)22 AWG，d1采 用4 股24 AWG 并聯(lián)，d2采用4 股25 AWG 并聯(lián)。

2.3 鉗位電容選型

根據(jù)第一節(jié)工作原理描述，當(dāng)Cc足夠大時，鉗位電容兩端的電壓近乎不變，但是根據(jù)式（1）可以看出Vc隨著輸入電壓和占空比變化而變化，當(dāng)電容值比較過小時，電壓紋波增加，增加開關(guān)管電壓應(yīng)力，系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)較快，當(dāng)電容比較大時，鉗位電壓紋波小，但瞬態(tài)響應(yīng)變慢，綜合考慮，鉗位電容值允許有20%～30%的電源紋波。

為了使主開關(guān)管和輔助開關(guān)管的電壓應(yīng)力最小，需要滿足以下關(guān)系：

其中，Dmin=nVo/Vinmax=1/3，根據(jù)2.2 節(jié)得到的變壓器參數(shù)可以實(shí)測得到Lr、Lm，進(jìn)而計算出理論值Cc。

2.4 主功率管選型

功率管主要考慮電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力，漏源電壓Vds=Vc，主功率管兩端承受的電壓為Vc：

占空比最小時，承受的電壓最大，代入數(shù)值Vinmin，Vc=54 V（本例子比較特殊，最大輸入和最小輸入電壓時，Vc都是54 V，Vc隨著Vin先遞減后遞增），滿載輸出，最大占空比時流過S1 的電流最大，通過式（18）可以計算出Irms(s1)=1.68 A。

根據(jù)主功率管耐壓值和峰值電流，考慮足夠降額，可以選擇IRF640，查看手冊可知，其VDSS=200 V，IDmax=16 A 。

2.5 輸出電感設(shè)計

輸出電感和輸出電容的設(shè)計與普通BUCK 型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相似[12]，對于有源鉗位拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)占空比最小時，電感電流紋波最大，設(shè)定輸出紋波電流系數(shù)kind=0.1，代入式（20）可以計算出電感值為133.3 μH，可選200 μH電感。

2.6 輸出電容設(shè)計

實(shí)際的電容等效為寄生電阻ESR、電感Lc和理想電容Co的串聯(lián)，當(dāng)開關(guān)頻率小于500 kHz時，Lc可以忽略，輸出紋波電壓由輸出紋波電流在ESR 產(chǎn)生的電壓和紋波電流在Co上的充放電引起的電壓紋波之和，后者與流過Co的電流積分成正比，當(dāng)頻率比較低時，輸出紋波主要由前者產(chǎn)生。

設(shè)定紋波電壓為ΔVo=120 mV，則ESR=120 mV/200 mA=0.6 Ω。

針對電解電容有ESR×Co=65×10-6，可以算出Co=108.3 μF，考慮溫度系數(shù)等因素，可選擇220 μF 電容，耐壓25 V。

2.7 輔助功率管驅(qū)動

輔助功率管采用PMOSFET，陳小明給出了低端箝位MOSFET 的驅(qū)動電路[13]，如圖4 所示，驅(qū)動信號OUTB 的高電平電壓為Vaux，當(dāng)OUTB 為高電平時，二極管D1導(dǎo)通，電容C1充電，左負(fù)右正，充電到-Vaux；當(dāng)OUTB為低電平時，D1 截止，C1上的電壓經(jīng)過R1進(jìn)行放電，C1和R1放電時間常數(shù)遠(yuǎn)大于PWM 波周期時，C1上的電壓近似不變，T1的源級、放電電阻和D3 共地，故T1柵源級電壓峰值為0，因此T2柵極為負(fù)電平的驅(qū)動電壓信號，可通過第三節(jié)的仿真結(jié)果看到。

通常選取C1×R1≥100 Ts，Vaux=7.5 V，電阻選擇0805 封裝貼片電阻，額定功率為1/4 W，可以計算出R1=225 Ω，假定R1=1 Ω，可以計算出C1=1 μF，如果R1=10 Ω，可以計算出C1=0.1 μF，因此，R1可以在1 Ω～10 Ω 范圍內(nèi)選擇，C1在0.1 μF～1 μF 范圍內(nèi)選擇，C1可選擇0805 封裝，16 V 耐壓值。

3 仿真分析結(jié)果

基于以上理論分析，采用TI 公司的LM5025C 作為PWM 控制器，搭建外圍電路，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，電路原理圖如圖5 所示。該器件是單通道有源鉗位電壓模式PWM 控制器，有主功率管驅(qū)動信號OUTA和輔助功率管驅(qū)動信號OUTB，OUTA 可以直接驅(qū)動NMOS，OUTB 經(jīng)過耦合電容后接PMOS 管的柵極，還具有死區(qū)時間可調(diào)、欠壓鎖定、軟啟動、頻率可調(diào)和外部時鐘同步等功能，非常適用于正激電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中[14-15]。圖6 是仿真結(jié)果圖，OUTA 和OUTB 分別是主功率管和輔助功率管柵極驅(qū)動信號，可以看出OUTA 為負(fù)電壓信號，驅(qū)動PMOS，輸出電壓軟啟上升到穩(wěn)定值。

4 結(jié)論

通過仿真結(jié)果可以看出，輸出電壓軟啟動上升，在滿載時輸出電壓也能保持穩(wěn)定，主功率管和輔助功率管驅(qū)動波形滿足設(shè)定要求，整個環(huán)路可以正常工作。由于篇幅限制，對變壓器詳細(xì)的設(shè)計過程、誤差放大器選擇等未做具體闡述。