基于UCC28600的谐振工作模式的反激变换器的效率分析
发布时间：2014-7-29 16:52
发布者：eechina
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作者：Martin Ma，Texas Instruments 摘要：本文详细分析了65W 谐振工作模式的反激变换器在全电压输入范围内的关键元器件的损耗，给出了全电压工作范围内变换器效率的计算曲线和实测曲线，对于理论分析变换器效率及提高谐振工作模式变换器的效率有指导意义。 1. 变换器输入输出电气参数： 本文的分析和设计基于65W 输出的笔记本适配器，输入直流电压Vin 为: 100~370V DC；输出直流电压电流为: 18V/3.6A 。根据输入输出条件，设定低压满载是65KHZ 工作频率。按变换器的常规设计得到：Np:Ns=6:1 ，Lp=290uH。其他相关设计参数及原理图可参考文献2 及附录。 2. 主要元器件的损耗分析 2.1.全范围输入电压时占空比及工作频率的变化 变换器全范围工作在准谐振谷底开通模式，所以满足Flyback基本的输出输出公式，可根据如下公式，计算得到满载时占空比在全电压输入时的变化规律，其中D(Vin)为占空比D 和Vin 的函数关系，其变化规律如图1 所示，其中Vo 为输出电压，Vd为副边整流肖特基的导通压降： 
可以按如下的计算方式得到全电压输入时变换器工作频率变化规律如图2 所示，其中Lp为变压器原边电感量，Ipk_p(Vin)为原边峰值电流和输入电压的函数关系，f(Vin)为变换器工作频率和输入电压的函数关系，Ton 和Toff分别为导通和关断时间。 
2.2．Mosfet的损耗分析 
如图3 为变换器实际工作在谐振模式时Vds的工作波形，可见Mosfet开通时，变压器的原边电感Lp和Cds之间谐振，开通时电压谐振到Vin-（Vout+Vd），此时电流从零开始增加，大大的降低了开通时的损耗，这是谐振工作模式的优势。 Mosfet的损耗分为4 个部分，关断损耗，导通损耗，开通损耗及驱动损耗，在该设计中使用的SPP11N60C3 Mosfet，可以根据Mosfet的全范围输入时电压电流的变换规律，计算分析Mosfet的全输入范围的损耗分布，其中驱动损耗主要和工作频率关系较大，导通损耗需估计其热效应的影响，按结温100⁰C 估算，图中可见关断损耗随输入电压增加而增加。 
2.3．整流桥及副边整流肖特基损耗分析 
在本设计中，副边整流肖特基选用STPS20120CT，100⁰C 时，VF=0.6V。如下图5 显示整流桥及肖特基的损耗在全范围输入时的变化，其中BD(Vin)和D(Vin)分别为整流桥和肖特基的损耗。 2.4．变压器损耗分析 本设计中，使用RM10 的磁芯，该磁芯有效截面积较大，漏磁较小，在满足饱和磁通余量的情况下，设计匝比为N1：N2=36T :6 T，其中可查的 ,可以根据如下公式得到全范围最大磁通量的变化规律如图6，可见在输入电压最低的时候，磁通量为最大值。所以在设计时需要保证满载输入电压最低时，保证此时磁通量小于饱和磁通并留有一定的裕量。 
在满足集肤效应和邻近效应的基础上，使用三明治绕法，漏感较小，原边为Φ0.3*3，副为Φ0.5*4，如图7 显示了其在全范围输入的情况下其损耗的变化规律。其中Pwinding为变压器的铜损，Ploss_core为铁损，铁损主要和磁芯的材质关系较大。 
2.5.输入滤波电容及原边电流检测电阻损耗分析 如图8 为满载时全范围电压输入时输入电容与原边电流检测电阻损耗变化。原边电阻的损耗主要和通过该电阻的电流有效值有关系，输入电容的损耗和其流通的电流有效值有关系。 
2.6．其他损耗分析 变换器的其他损耗主要分为：原边电流检测电阻损耗，输出滤波LC 的损耗，输入电容损耗，RCD clamp吸收回路的损耗，IC 的供电损损耗，EMI 滤波器的损耗以及PCB 走线的损耗。如下图9 为这些损耗的总结，其中EMI 滤波器的损耗以及PCB 走线的损耗主要是电阻性的损耗。 
3. 理论分析和实测效率的对比分析 根据以上的分析，可以得到变换器的总损耗如下，将这些损耗累加，可以得到如图10 全部损耗在全范围输入电压内的变化规律，从而可以得到全范围输入电压时的效率变化规律如图11 所示。 
基于上述设计和TI 的谐振控制器UCC28600EVM，测试得到实际的变换器效率如下图12 所示。可见，计算得到的效率变化规律和实测的效率曲线基本相同，较为真实的反映了变换器的理论计算。实际计算时建立的工作模型越接近实际工作模型，计算的结果会越准确。可以根据上述的分析方法在设计中优化变换器的效率，其中变压器和开关器件是优化的重点。 4. 结论 通过以上的分析和测试，可得如下结论： 1. 对于谐振工作模式的反激变换器，最低电压输入时，满载的变换器的效率最低，磁通量为最大值，需要针对最低输入电压去评估变压器的饱和磁通量并留有一定的裕量。 2. 由于最低输入电压时变换器效率最低，此时变换器损耗最大，实际设计时可以根据此时的损耗去评估整个系统的热设计。 3. 效率的计算结果和实测效率接近，使用本文损耗计算方式是一种有效的评估效率的手段，可以根据上述的分析方法优化变换器的效率。 5.参考文献： 1. UCC28600 QUASI-RESONANT FLYBACK CONTROLLER datasheet Texas Instruments http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/slus646j/slus646j.pdf 2. Quasi-Resonant Flyback Converter Universal Off-Line Input 65-W Evaluation Module Texas Instruments http://www.ti.com.cn/cn/lit/ug/sluu263c/sluu263c.pdf |
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