《電子技術應用》
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PSR控制應用于小功率電源
摘要: 近兩年由于PSR線路簡單,成本低,所以在充電器,LED驅動應用方面相當流行,模擬方式(部分廠家是帶數字控制的,如IWATT,本貼只針對較流行的DCM模式的模擬方式 的)實現的PSR工作原理是大同小異的,只是有些參數定義不一定!但有些廠家只是給出計算公式,但對恒流方面,沒有真正詳細的講解!在此我會和廣大網友分享我對此的理解。
Abstract:
Key words :

近兩年由于PSR線路簡單,成本低,所以在充電器,LED驅動應用方面相當流行,模擬方式(部分廠家是帶數字控制的,如IWATT,本貼只針對較流行的DCM模式的模擬方式 的)實現的PSR工作原理是大同小異的,只是有些參數定義不一定!但有些廠家只是給出計算公式,但對恒流方面,沒有真正詳細的講解!在此我會和廣大網友分享我對此的理解。

 先談談CV操作模式,現在大部分芯片都是直接取樣輔助線圈上電壓,由于漏感的原因,在MOS關斷后,也就是次級二極管導通瞬間,會產生一個尖峰,影響電壓采樣,為了避開個這個尖峰,大部分廠家都是采用延時采機,也就是在MOS管關斷一段時間后再來采樣線圈電壓。從而避開漏感尖峰。PI是在高壓開關關斷2.5 μs采樣。這種采樣方式其實在以前很多芯片上的過壓保護上也都有應用,比如OB2203和UCC28600,NCP1377上都有這樣的應用,所以可以得到較高精度的過壓保護。

還有些廠家是在下取樣電阻上并一個小容量的電容來實現。同時建義大家吸收電路使用恢復時間約只有2us的IN4007再串一個百歐左右的電阻作吸收??梢詼p小漏感產生的振鈴,從而減小取樣誤差。得到較高采樣精度。次級圈數固定,輔助繞組固定,取樣精度高。比較器內部精度也高,自然可以得到較高的輸出電壓精度。

 先寫個變壓器的基本公式。Np*Ipk=Ns*Ipks(變壓器次級只有一個繞組Ns),Np,Ipk,Ns,Ipks分別是初級圈數,初級峰值電流,次級圈數,次級峰值電流 .

 當工作在DCM模式時,輸出電流是次級電流(如圖的三角形)在一個工作周期的平均值,所以Io=(Td/T)*Ipsk/2, 其中 T為工作周期。

Np*Ipk=Ns*Ipks

所以Ipks=Np*Ipk /Ns,

將Ipks=Np*Ipk /Ns代入Io=(Td/T)*Ipsk/2 ,

得到Io=(Td/T)*(Np*Ipk /Ns)/2。

可以看出Np,Ns為常數,只要固定Ipk,和Td/T就可以得到固定的電流輸出。

市面上很多IC固定Ipk的方式是限制初級MOS取樣電阻上的峰值電壓,同時為了避免寄生電容在導通時產生的電流尖峰,會加入一段消隱時間。

Td/T 是由IC內部固定的。OB的是0.5(他是給出TD同頻率的關系),BYD的1508是直接給來的0.42。仙童的沒有直接給出1317沒直接給出這個值,而是給出了一個計算初級電流的公式。也是間接告訴了Td/T 。

CC時,在不同輸出電壓情況下,工作在PFM模式以保證固定的Td/T而實現穩定的輸出電流。這就是實現恒流的基本原理,輸出電壓變化時能保證電流不變。只要保證IC  Td/T 的精度,以及初級峰值電流的限流精度就可以得到較高的輸出電流精度。這兩部分基本上取決于IC。取樣電阻保證1%是沒有問題的。

Io=(Td/T)*(Np*Ipk /Ns)/2。

可以看出Np,Ns為常數,只要固定Ipk,和Td/T就可以得到固定的電流輸出。

CC時,負載電壓變化會引起頻率的變化,電壓高時頻率,低時頻率也降低。從而保證穩定的輸出電流。后面會分析一下,關于PSR如何補償電感量變化,以及合理的電感量選擇。

電容端變化是有個過程的。在CC模式時,當負載變小的,輸出電壓下降,Td和T會同時增大,但比例不變。因為Ipk*ton是不變的。因為Vin和L是不變的。根據伏秒變衡。Vin*Ton=N*Vo*Td,Vin和Ton是不變的,N為常數,所以輸出負載的變化會引起輸出電壓的變化,輸出電壓的變化會引起Td的變化,而Td/T是被IC固定的。所以最終是頻率的變化再講講PSR對電感量補償的原理。看過PI LN60X實驗視頻的朋友可以看到他們的PSR對電感量有補償。

當電感量低出設計正常值時,達到同樣的峰值電流需要的時間就短了,Δt=L*ΔI/V,ΔI在DCM模式時等于峰值電流,而峰值電流是固定的。V就是Vin,為常數。所以L低會造成Δt下降,也就是Ton下降。根據伏秒平衡,Ton*Ipk*Np=Td*Ipks*Ns。Np,Ns為常數,Ton的下降同樣也造成Td下降。由于Td比上周期T為固定值,Td下降造成T變小,所以頻率就升高了。但是由于有最高頻率的限制。

所以設計時要注意在最重負載時,頻率不能工作在最高頻率,這樣電感量的變化將得不到補償。應適當低于最高工作頻率。電感量高出正常值時,結果當然是相反的。Io=(Td/T)*(Np*Ipk /Ns)/2。只要Ipk,Td/T不變,輸出電流也就不變。所以電感量變化引起的是頻率的變化。從公式P=1/2*I*I*L*f也可以看出。I固定,輸出功率不變,L的變化引起的是頻率f的變化。但一定要注意最高工作頻率限制。

電源參數(7*1W LED驅動): 輸入 AC 90-264V  輸出:25.8V 0.3A

從IC資料上可以看出Td/T=0.5 CS腳限制電壓Vth_oc為0.91V FB基準為2V,占空比D取0.45 Vin取90V 整流管VF取0.9 最高開關頻率取50KHZ 變壓器用EE16,AE=19.3mm^2 VCC供電繞組電壓取22V(考慮到不同串數LED的兼容性VCC繞組電壓取得較高,但通常根據經驗,取芯片最大值減去2v)

1、計算次級峰值電流Ipks:

Io=(Td/T)*Ipsk/2

Ipks=Io*2/(Td/T)=0.3*2/0.5=1.2A

 先談談CV操作模式,現在大部分芯片都是直接取樣輔助線圈上電壓,由于漏感的原因,在MOS關斷后,也就是次級二極管導通瞬間,會產生一個尖峰,影響電壓采樣,為了避開個這個尖峰,大部分廠家都是采用延時采機,也就是在MOS管關斷一段時間后再來采樣線圈電壓。從而避開漏感尖峰。PI是在高壓開關關斷2.5 μs采樣。這種采樣方式其實在以前很多芯片上的過壓保護上也都有應用,比如OB2203和UCC28600,NCP1377上都有這樣的應用,所以可以得到較高精度的過壓保護。

還有些廠家是在下取樣電阻上并一個小容量的電容來實現。同時建義大家吸收電路使用恢復時間約只有2us的IN4007再串一個百歐左右的電阻作吸收。可以減小漏感產生的振鈴,從而減小取樣誤差。得到較高采樣精度。次級圈數固定,輔助繞組固定,取樣精度高。比較器內部精度也高,自然可以得到較高的輸出電壓精度。

 先寫個變壓器的基本公式。Np*Ipk=Ns*Ipks(變壓器次級只有一個繞組Ns),Np,Ipk,Ns,Ipks分別是初級圈數,初級峰值電流,次級圈數,次級峰值電流 .

 當工作在DCM模式時,輸出電流是次級電流(如圖的三角形)在一個工作周期的平均值,所以Io=(Td/T)*Ipsk/2, 其中 T為工作周期。

Np*Ipk=Ns*Ipks

所以Ipks=Np*Ipk /Ns,

將Ipks=Np*Ipk /Ns代入Io=(Td/T)*Ipsk/2 ,

得到Io=(Td/T)*(Np*Ipk /Ns)/2。

可以看出Np,Ns為常數,只要固定Ipk,和Td/T就可以得到固定的電流輸出。

市面上很多IC固定Ipk的方式是限制初級MOS取樣電阻上的峰值電壓,同時為了避免寄生電容在導通時產生的電流尖峰,會加入一段消隱時間。

Td/T 是由IC內部固定的。OB的是0.5(他是給出TD同頻率的關系),BYD的1508是直接給來的0.42。仙童的沒有直接給出1317沒直接給出這個值,而是給出了一個計算初級電流的公式。也是間接告訴了Td/T 。

CC時,在不同輸出電壓情況下,工作在PFM模式以保證固定的Td/T而實現穩定的輸出電流。這就是實現恒流的基本原理,輸出電壓變化時能保證電流不變。只要保證IC  Td/T 的精度,以及初級峰值電流的限流精度就可以得到較高的輸出電流精度。這兩部分基本上取決于IC。取樣電阻保證1%是沒有問題的。

Io=(Td/T)*(Np*Ipk /Ns)/2。

可以看出Np,Ns為常數,只要固定Ipk,和Td/T就可以得到固定的電流輸出。

CC時,負載電壓變化會引起頻率的變化,電壓高時頻率,低時頻率也降低。從而保證穩定的輸出電流。后面會分析一下,關于PSR如何補償電感量變化,以及合理的電感量選擇。

電容端變化是有個過程的。在CC模式時,當負載變小的,輸出電壓下降,Td和T會同時增大,但比例不變。因為Ipk*ton是不變的。因為Vin和L是不變的。根據伏秒變衡。Vin*Ton=N*Vo*Td,Vin和Ton是不變的,N為常數,所以輸出負載的變化會引起輸出電壓的變化,輸出電壓的變化會引起Td的變化,而Td/T是被IC固定的。所以最終是頻率的變化再講講PSR對電感量補償的原理。看過PI LN60X實驗視頻的朋友可以看到他們的PSR對電感量有補償。

當電感量低出設計正常值時,達到同樣的峰值電流需要的時間就短了,Δt=L*ΔI/V,ΔI在DCM模式時等于峰值電流,而峰值電流是固定的。V就是Vin,為常數。所以L低會造成Δt下降,也就是Ton下降。根據伏秒平衡,Ton*Ipk*Np=Td*Ipks*Ns。Np,Ns為常數,Ton的下降同樣也造成Td下降。由于Td比上周期T為固定值,Td下降造成T變小,所以頻率就升高了。但是由于有最高頻率的限制。

所以設計時要注意在最重負載時,頻率不能工作在最高頻率,這樣電感量的變化將得不到補償。應適當低于最高工作頻率。電感量高出正常值時,結果當然是相反的。Io=(Td/T)*(Np*Ipk /Ns)/2。只要Ipk,Td/T不變,輸出電流也就不變。所以電感量變化引起的是頻率的變化。從公式P=1/2*I*I*L*f也可以看出。I固定,輸出功率不變,L的變化引起的是頻率f的變化。但一定要注意最高工作頻率限制。

電源參數(7*1W LED驅動): 輸入 AC 90-264V  輸出:25.8V 0.3A

從IC資料上可以看出Td/T=0.5 CS腳限制電壓Vth_oc為0.91V FB基準為2V,占空比D取0.45 Vin取90V 整流管VF取0.9 最高開關頻率取50KHZ 變壓器用EE16,AE=19.3mm^2 VCC供電繞組電壓取22V(考慮到不同串數LED的兼容性VCC繞組電壓取得較高,但通常根據經驗,取芯片最大值減去2v)

1、計算次級峰值電流Ipks:

Io=(Td/T)*Ipsk/2

Ipks=Io*2/(Td/T)=0.3*2/0.5=1.2A

2、計算反射電壓Vor:根據伏秒平衡

Vin*Ton=Vor*Td

Vin*Ton/T=Vor*Td/T

Vin*D=Vor*Td/T

90*0.45=Vor*0.5

Vor=81V

3、計算匝比N

Vor=(Vo+Vf)*N

N=81/(25.8+0.9)=3.03

4、計算初級峰值電流(考慮到初級電流一部分在轉換時的損耗,如吸收中的一部分損耗,磁芯損耗,輸出電容損耗,次級銅損)初級電流損耗取輸出電流的7%

Ipk=Ipks*(1+7%)/N=1.2*(1+7%)/3.03=0.424

5、計算初級電感量

Vin/L=ΔI/Δt DCM模式時ΔI等于Ipk

vin/L=Ipk/(D/f)

L=vin*D/f/Ipk=90*0.45/50K/0.424=1.91mH

6、計算初級圈數Np,Ns(B取0.3mT)

NP=L*I/(AE*B)=1.91*0.424/(19.3*0.3)*10^3=140TS

NS=NP/N=140/3=46.6TS  取47TS時反算47*3.03=142TS

NA=NS*VA/(Vo+VF)=47*22/(25.8+0.9)=39TS

7、電壓取樣電阻

當供電繞組電壓取22V時,FB基準為2V ,上下取樣電阻正好為10比1,取6.8K和68K

8、電流檢測電阻Rcs

Rcs=Vth_oc/Ipk=0.91/0.424=2.15 用2.7并11歐電阻

9、二極管反壓

=Vin_max/N+Vo=264*1.41/3.03+25.8=149V 取耐壓200V的SF14

10、MOS耐壓及 漏感尖峰取 Vlk75V

=Vin_max+Vor+Vlk=373+81+75=529V 考慮到功耗選用2N60。

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