一款具有超宽输入电压范围小功率的反激式转换器设计

 在工业应用和工厂自动化领域存在多种多样的电源电压。一般您会发现24伏交流(VAC)电压、24伏直流(VDC)电压、110VAC电压、230VAC电压,有时也会发现介于它们之间的电压。由于成本原因,电子设备制造商通常不愿意为每种输入电压开发不同的电源。所以,让我们来看看如何设计一种具有超宽输入电压范围(19至265VAC和19至375VDC)的小功率(在500mW的范围内)反激式转换器。

 
反激式转换器(Flyback Converter),广泛应用于交流直流(AC/DC)和直流直流(DC/DC)转换,并在输入级和输出级之间提供绝缘隔离,是开关电源的一种。应用范围包括低功率的开关电源,显像管的高压电源,以及绝缘栅驱动器,具有结构简单,应用广泛的优点。
 
该小功率反激式参考设计(笔者将把它用作本博客中的一个示例)需要具备两路输出。一个输出轨提供微控制器与模拟电路(电流为15mA时电压为5.0V);另一个输出轨则在电流为40mA时提供12.0V的电压以控制继电器。因为输入和两路输出需要2.5kV的隔离电压,所以笔者首先想到了结构简单、广为人知的反激式转换器。
 
图1展示了这种转换器 —— 包括输入滤波器、整流器、启动电路以及次级侧上的控制器线性稳压器。 
一款具有超宽输入电压范围小功率的反激式转换器设计
                                                                         图1:反激式转换器方框图
 
宽输入电压范围不仅对控制器来说是个挑战,对该变压器的设计而言也是一大难题。对于小功率应用,反激式转换器经过设计要能在非连续导通模式(DCCM)下工作,以便实现小的解决方案尺寸,因为耦合电感器的电感也比较小。这种运行模式下的峰值电流比连续导通模式(CCM)下的峰值电流大 —— 但它们仍然相对较小,原因是功率很小。对于较大功率的应用,反激式转换器则通常在CCM模式下工作。乍一看DCCM似乎是适合该反激式设计的模式,输出功率大约为500mW。
 
为避免在输入电压的上限范围内出现大的开关损耗,开关频率应相对较低。在该设计中,它被设置为130kHz,以便让基波低于电磁干扰(EMI)测量的下限150kHz。如果假定该转换器只在DCCM模式下工作,那么占空比在这样一个范围内:从70%直到4%(匝数比为3.58:1,750μH的初级电感)。为了减少组件应力,您应该通过让匝数比保持不变并将初级电感变为4mH来增加最小占空比。现在,对于低输入电压,该转换器在CCM模式下运行;对于高输入电压,该转换器则在DCCM模式下运行。
一款具有超宽输入电压范围小功率的反激式转换器设计
                                             图2:具有超宽输入电压范围的小功率反激式TI Designs参考设计