0 引言

　　為了充分利用LED燈的優(yōu)勢(shì)，一些經(jīng)典的電源驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被優(yōu)化和重新設(shè)計(jì)。在隔離型AC/DC轉(zhuǎn)換器中，有兩種主要的反饋模式：一種是文獻(xiàn)[1-2]中所述的副邊反饋，需要使用光電耦合器和精密穩(wěn)壓源構(gòu)成反饋環(huán)路，這種反饋模式成本高，并且造成原邊和副邊不可靠的隔離；另一種是文獻(xiàn)[3-5]中所述的原邊反饋，雖然省略了副邊反饋所必須的光電耦合器，但是需要利用變壓器中的輔助繞組去采集輸出功率信息，增大了變壓器的體積和成本，并且由于輔助繞組造成變壓器原邊和副邊能量轉(zhuǎn)化效率較低，恒流精度也受到影響。

　　對(duì)于隔離型反激式變換器，在工作時(shí)，變壓器區(qū)別于真正意義上的變壓器，其實(shí)只是兩個(gè)相互耦合的電感。所以，反激式變換器中的變壓器的初級(jí)和次級(jí)并不滿足真正意義上的變壓器所滿足的電壓比守恒，但是根據(jù)能量守恒而滿足安匝比守恒[6]。根據(jù)這一關(guān)系，可以由原邊電流的峰值來(lái)確定副邊電流的峰值。副邊電流過(guò)零時(shí)，原邊主要電感與寄生電容會(huì)發(fā)生諧振，通過(guò)這一信號(hào)可以控制副邊續(xù)流時(shí)間與開(kāi)關(guān)周期的比值恒定，以此來(lái)獲得恒定的輸出電流。

1 恒流原理

　　隔離型反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和芯片內(nèi)部模塊框圖如圖1所示。根據(jù)反激式變換器工作原理，在開(kāi)關(guān)管NM1導(dǎo)通時(shí)，變壓器原邊繞組上的電流Ip線性上升至最大值Ippk，上升斜率是Vdc/Lp，其中Vdc是原邊繞組兩端的電壓，Lp是原邊繞組電感。此時(shí)，由于副邊繞組上的二極管DO反偏，副邊繞組上沒(méi)有電流，負(fù)載靠濾波儲(chǔ)能電容CO供電。當(dāng)開(kāi)關(guān)管NM1關(guān)斷時(shí)，原邊電流瞬間減小至零，儲(chǔ)存在原邊繞組上的能量傳遞給副邊繞組，二極管DO導(dǎo)通，副邊瞬間獲得一個(gè)電流峰值Ispk，并線性下降，下降斜率是-(VO-0.7)/Ls，其中VO是負(fù)載上的輸出電壓，Ls是副邊繞組電感。

　　在開(kāi)關(guān)管NM1轉(zhuǎn)換前瞬間，原邊電流處于最大值Ippk，儲(chǔ)存在原邊電感上的能量：

　　根據(jù)能量守恒原則，在開(kāi)關(guān)管NM1關(guān)斷后瞬間，儲(chǔ)存在副邊電感上的能量：

　　在此認(rèn)為理想情況下，能量的轉(zhuǎn)換效率是100%。根據(jù)繞組的電感正比于繞組匝數(shù)的平方，即L∝N2，可以得到安匝比守恒關(guān)系式(3)。

　　所以，反激式變換器并非真正意義上的變壓器，而是起到反激扼流圈的作用。不同于變壓器所滿足的電壓比守恒，反激式變換器滿足安匝比守恒[6]：

　　其中Np和Ns分別是變壓器原邊和副邊繞組的匝數(shù)。

　　如圖2所示，在開(kāi)關(guān)管NM1導(dǎo)通時(shí)間Ton內(nèi)，原邊電流Ip上升至最大值Ippk：

　　在開(kāi)關(guān)管NM1關(guān)斷后，根據(jù)式(3)的安匝比關(guān)系，副邊獲得的峰值電流為：

　　開(kāi)關(guān)管NM1關(guān)斷的時(shí)間可以分為兩段，一段時(shí)間是Td，即副邊二極管續(xù)流時(shí)間段；另一段時(shí)間是Toff，稱為死區(qū)時(shí)間，即原邊和副邊電流都為零的時(shí)間段。當(dāng)Toff>0時(shí)，反激式變換器工作在電流斷續(xù)模式；當(dāng)Toff=0時(shí)，反激式變換器工作在臨界模式；否則，工作在電流連續(xù)模式。

　　如圖1和圖2所示，三角波電流Is經(jīng)過(guò)濾波電容CO后可以得到一個(gè)近似恒流的ILED。根據(jù)電荷守恒原理，在一個(gè)周期內(nèi)，圖2所示的陰影部分面積SA1=SA2，所以：

　　當(dāng)控制Ispk值恒定時(shí)，既能獲得一個(gè)恒定的LED驅(qū)動(dòng)電流ILED。

　　2 恒流設(shè)計(jì)

　　在變壓器結(jié)構(gòu)確定的情況下，當(dāng)原邊峰值電流Ippk恒定時(shí)就能確定一個(gè)恒定值的Ispk?？梢酝ㄟ^(guò)電流檢測(cè)電路來(lái)確定一個(gè)恒定的原邊電流峰值。

　　如圖3所示，通過(guò)電流采樣電阻RCS將原邊電流信號(hào)Ip轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)VCS，VCS與基準(zhǔn)電壓信號(hào)Vref1通過(guò)電壓比較器Comp1進(jìn)行比較。當(dāng)VCS>Vref1時(shí)，電壓比較器Comp1輸出低電平信號(hào)將開(kāi)關(guān)管NM1關(guān)斷，則VCS的最大值被限制在Vref1，這也就限制了原邊電流信號(hào)Ip的最大值為：

　　則副邊電流Is的峰值為：

　　圖4是一種恒定Td/T值的計(jì)時(shí)電路簡(jiǎn)圖。

　　圖4計(jì)時(shí)電路中ZCD模塊是副邊電流過(guò)零檢測(cè)電路。在副邊電流減小至零時(shí)，原邊的主要電感與開(kāi)關(guān)管的寄生電容之間將發(fā)生諧振現(xiàn)象，以此來(lái)作為副邊電流過(guò)零時(shí)刻的信號(hào)，如圖5所示。文獻(xiàn)[7]描述了MOSFET的寄生電容來(lái)源于原子的橫向擴(kuò)散作用。文獻(xiàn)[8-9]是將原邊主要電感與開(kāi)關(guān)管寄生電容之間的諧振的發(fā)生作為副邊電流過(guò)零信號(hào)的應(yīng)用。

　　當(dāng)原邊電流到達(dá)峰值時(shí)，將控制電容Ct放電；當(dāng)副邊電流過(guò)零時(shí)，將控制電容Ct充電。電容Ct具有計(jì)時(shí)作用，可以將副邊的續(xù)流時(shí)間Td與開(kāi)關(guān)周期T的比值恒定。

　　當(dāng)電容上的電壓Vct上升至基準(zhǔn)電壓Vref2時(shí)，開(kāi)關(guān)管NM1導(dǎo)通。原邊電流Ip線性上升至最大值Ippk，這時(shí)比較器Comp1將輸出低電平信號(hào)，將開(kāi)關(guān)管NM1關(guān)斷，并且控制計(jì)時(shí)電容Ct放電。將副邊續(xù)流時(shí)間Td分為兩個(gè)部分Td1和Td2，在Td1時(shí)間段，計(jì)時(shí)電容上的電壓Vct下降至基準(zhǔn)電壓Vref2；在Td2時(shí)間段，計(jì)時(shí)電容上的電壓Vct下降至Vmin。副邊電流下降至零時(shí)，過(guò)零檢測(cè)模塊電路將確定這一過(guò)零點(diǎn)，并控制計(jì)時(shí)電容Ct充電。在開(kāi)關(guān)管NM1再次導(dǎo)通之前，計(jì)時(shí)電容上的電壓Vct上升必須要上升至基準(zhǔn)電壓Vref2。

　　在IC中，將設(shè)計(jì)對(duì)于計(jì)時(shí)電容Ct充放電的電流Ic和Id由同一個(gè)電流源Iref鏡像而來(lái)。設(shè)Ic=1 Iref，Id=2 Iref。

　　開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間為：

　　開(kāi)關(guān)周期T為：

　　副邊續(xù)流時(shí)間為：

　　則副邊續(xù)流時(shí)間與開(kāi)關(guān)周期的比值為：

　　根據(jù)式(15)可知，副邊續(xù)流時(shí)間與開(kāi)關(guān)周期的比值與計(jì)時(shí)電容Ct上的電壓能上升的最大值和能下降的最小值無(wú)關(guān)，只與計(jì)時(shí)電容Ct的充電電流與放電電流的比值有關(guān)。

　　綜上所述，就可以控制Ispk和值恒定。輸出電流：

　　3 仿真

　　根據(jù)上述的設(shè)計(jì)原理，利用華虹公司的1 m 40 V工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。電氣參數(shù)如表1所示。

　　如圖7所示，在開(kāi)關(guān)管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)閿嚅_(kāi)狀態(tài)后，Vout上有振蕩信號(hào)。這是由變壓器的漏感Lleak和寄生電容之間發(fā)生了諧振。其振蕩信號(hào)有可能被過(guò)零檢測(cè)電路誤判為副邊電流過(guò)零信號(hào)，所以要在開(kāi)關(guān)管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)閿嚅_(kāi)狀態(tài)后設(shè)置一段屏蔽時(shí)間，使過(guò)零檢測(cè)電路在這段時(shí)間內(nèi)不工作，以防止誤判的發(fā)生。

　　使用輔助繞組的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，可以通過(guò)輔助繞組反饋的電壓信息來(lái)判斷輸出電流電壓是否過(guò)大，以此來(lái)作為輸出電壓過(guò)大的保護(hù)使能信號(hào)。在本文省略輔助繞組的反激式驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)限制副邊續(xù)流的時(shí)間來(lái)起到過(guò)壓保護(hù)的作用。輸出電壓VLED的最大值為：

　　副邊續(xù)流時(shí)間Td可以通過(guò)過(guò)零檢測(cè)電路來(lái)判定，當(dāng)Td小于一個(gè)特定的值時(shí)，則判斷VLED過(guò)大，啟動(dòng)過(guò)壓保護(hù)。

　　如圖6所示，Vmin≥0，對(duì)于二極管的最大續(xù)流時(shí)間Td是有限制，也就意味著對(duì)于最大負(fù)載量是有限制的。否則會(huì)出現(xiàn)計(jì)時(shí)電容上的電壓Vct存在觸底平坦的時(shí)間段，在這種情況下恒流效果就得不到保證。根據(jù)式(14)有：

　　與之相對(duì)應(yīng)的是觸頂平坦時(shí)間，當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間Ton過(guò)長(zhǎng)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這種情況，這同樣會(huì)影響恒流精度。

4 結(jié)論

　　在反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，當(dāng)副邊電流過(guò)零時(shí)，由于原邊主要電感和開(kāi)關(guān)管的寄生電容之間會(huì)發(fā)生諧振，這一諧振信號(hào)可以用于副邊續(xù)流時(shí)間結(jié)束的信號(hào)。通過(guò)計(jì)時(shí)電容的充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間、副邊續(xù)流時(shí)間和截止時(shí)間的計(jì)時(shí)，以此來(lái)控制副邊續(xù)流時(shí)間與周期的比值恒定，并且，通過(guò)采樣電阻來(lái)確定原邊電流的最大值。根據(jù)電荷守恒定律，輸出電流由于以上兩個(gè)值的確定而恒定。

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