基于NCP1216A評(píng)估板的DC/DC單端正激轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

一、引言

在電信應(yīng)用中，常常需要設(shè)計(jì)高效、緊湊的DC/DC轉(zhuǎn)換器。本文將詳細(xì)介紹如何使用NCP1216A控制器來(lái)設(shè)計(jì)一款適用于電信應(yīng)用的DC/DC單端正激轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器的要求包括：輸入電壓范圍為36V至72VDC，輸出電壓為12V時(shí)連續(xù)輸出功率大于30W，PCB尺寸小，效率大于85%，輸入到輸出的隔離電壓為1500V。

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二、NCP1216A控制器特性

1. 50%最大占空比操作

正激轉(zhuǎn)換器通常將最大占空比限制在50%，因?yàn)殡妷簭?fù)位被限制為等于輸入電壓（1:1復(fù)位比），超過(guò)50%的占空比可能會(huì)導(dǎo)致變壓器磁芯飽和。

2. 無(wú)輔助繞組操作

DSS（動(dòng)態(tài)自供電）功能允許NCP1216A直接從高壓線路獲取電源，無(wú)需從次級(jí)輸出電感（避免爬電距離和隔離問(wèn)題）或通過(guò)提供可變電壓 (N ×V_{in }) 的輔助繞組來(lái)提供 (VCC)。

3. 500 mA峰值電流能力

NCP1216A可以直接驅(qū)動(dòng)MOSFET，無(wú)需額外的驅(qū)動(dòng)級(jí)。如果所選MOSFET的柵極電荷會(huì)使DSS能力過(guò)載，則可以僅使用輔助繞組來(lái)提供驅(qū)動(dòng)脈沖。

4. 電流模式操作

逐周期初級(jí)電流監(jiān)測(cè)可消除任何過(guò)流情況，例如由次級(jí)短路引起的過(guò)流。

5. 直接光耦連接

在需要輸入到輸出隔離的應(yīng)用中，直接連接簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)階段，節(jié)省了外部組件。

6. 極低的空載功耗

NCP1216A控制器在空載操作時(shí)的極低功耗是其一大優(yōu)勢(shì)，使用此功能可以輕松滿足當(dāng)今的最大待機(jī)功耗標(biāo)準(zhǔn)。

7. 短路保護(hù)

通過(guò)監(jiān)測(cè)反饋線上的活動(dòng)，NCP1216A簡(jiǎn)化了次級(jí)側(cè)短路保護(hù)的任務(wù)。由于此功能和DSS實(shí)現(xiàn)，消除了耦合問(wèn)題。

三、35W DC/DC轉(zhuǎn)換器板規(guī)格

四、轉(zhuǎn)換器連接說(shuō)明

1. 輸入濾波器

電容器C1、C2、C3和電感器L1構(gòu)成輸入濾波器。

2. 初級(jí)鉗位網(wǎng)絡(luò)

二極管D3、電容器C5和電阻器R5提供初級(jí)鉗位網(wǎng)絡(luò)，用于對(duì)抗復(fù)位繞組和初級(jí)繞組之間的漏感。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，兩個(gè)繞組之間的連接通過(guò)D2實(shí)現(xiàn)。

3. 初級(jí)電流傳感電路

變壓器T2與二極管D1和電阻器R2、R3用作初級(jí)電流傳感電路。由于插入損耗低，這種配置大大提高了轉(zhuǎn)換器的最終效率。

4. 主驅(qū)動(dòng)電路

IC1是功率轉(zhuǎn)換器的主驅(qū)動(dòng)電路。

5. 次級(jí)電路

次級(jí)電路中，D4A作為正向二極管，D4B作為續(xù)流二極管。電容器C6為開(kāi)關(guān)事件期間通過(guò)各種變壓器雜散電容循環(huán)的共模（CM）電流提供路徑。

6. 隔離反饋電路

電阻器R7、R8、R9和R10與電容器C12、并聯(lián)穩(wěn)壓器IC3和光耦合器IC2一起構(gòu)成用于輸出電壓調(diào)節(jié)的隔離反饋電路。

7. 緩沖網(wǎng)絡(luò)

緩沖網(wǎng)絡(luò)（R6、C7）跨接在電感器L2上，以抑制高頻振蕩。L2、C8、C9和C10構(gòu)成基本的LC輸出濾波器。L3和C11構(gòu)成額外的輸出濾波器，以減少高頻噪聲。

五、轉(zhuǎn)換器各部分設(shè)計(jì)考慮

1. 變壓器設(shè)計(jì)

在正激轉(zhuǎn)換器中，通過(guò)在初級(jí)側(cè)施加電壓 (V{in }) 來(lái)確保磁芯磁化。根據(jù)法拉第定律，內(nèi)部磁通取決于伏秒積： [V{in } cdot t{on }=N cdot phi=N cdot A{e} cdot B] 其中 (A_{e}) 是磁芯總面積，B是磁芯磁通密度。

最大磁芯磁通密度 (Delta B{MAX}) 和變壓器的峰值初級(jí)磁化電流 (I{PKMAG}) 由初級(jí)電感值 (L 1) 和最大輸入電壓決定： [I{PKMAG }=frac{V{in max }}{L{1}} cdot frac{1}{f{op }} cdot delta{max }] [Delta B{MAX }=frac{V{in max } cdot delta{max }}{N{p} cdot f{op } cdot A_{e}}]

初級(jí)匝數(shù) (N{p}) 可通過(guò)以下公式計(jì)算： [N{p}=frac{V{in max } cdot delta{max }}{Delta B{max } cdot f{op } cdot A_{e}}]

對(duì)于EFD25磁芯，總磁芯面積為 (58 mm^{2}) ， (Delta B{max }=0.2 T) ， (V{in max }=80 V) ， (f{op}=100 kHz) ，最大占空比 (delta{max }=0.5) ，則初級(jí)匝數(shù) (N_{p}=35)。

復(fù)位繞組匝數(shù)的選擇需要權(quán)衡。通常，復(fù)位繞組匝數(shù)與初級(jí)繞組匝數(shù)相同，以確保良好的耦合，減少漏感對(duì)轉(zhuǎn)換器效率的影響。

次級(jí)繞組匝數(shù) (N{s}) 可通過(guò)以下公式獲得： [N{s}=N{p} cdot frac{frac{v{out }}{delta{max }}+V{f}}{V_{in min }}]

在使用EFD25的示例中， (N_{s}=25) 匝。

為了限制趨膚效應(yīng)，初級(jí)和次級(jí)繞組應(yīng)使用多根并聯(lián)導(dǎo)線繞制。每根單根導(dǎo)線的最大直徑 (D{max }) 可通過(guò)以下公式計(jì)算： [D{max }=2 cdot frac{75}{sqrt{f_{op }}}]

2. 輸出電感設(shè)計(jì)

輸出電感的值取決于可接受的紋波電流水平。為了獲得較小的紋波電流，需要較大的電感。在實(shí)踐中，通常將電流紋波限制在電感平均電流的10 - 20%。正激轉(zhuǎn)換器中的最大電流紋波 (Delta I{max }) 在50%占空比時(shí)出現(xiàn)，其值可通過(guò)以下公式計(jì)算： [Delta I{max }=frac{V{sec max }}{4 cdot f{op} cdot L_{2}}]

在NCP1216A演示板中，使用100 μH電感時(shí)，最大輸出紋波 (Delta I_{max }=2.0 A) 。

3. 電流傳感變壓器設(shè)計(jì)

電流傳感變壓器用于減少傳統(tǒng)電流傳感電阻配置中的功率損耗。在NCP1216A演示板中，使用環(huán)形磁芯，次級(jí)繞組有38匝，初級(jí)繞組由一匝絕緣導(dǎo)線構(gòu)成。

電流傳感電阻的峰值電流 (I{2 pk}) 可通過(guò)以下公式獲得： [I{2 pk}=I{1 pk} cdot frac{1}{ N{s}}-I_{magpk }]

磁化電流的峰值 (I{magpk }) 由以下公式給出： [I{magpk }=frac{V{csth max } cdot delta{max }}{L{s} cdot f{op }}]

電流傳感電阻 (R{sense }) 的值可通過(guò)以下公式計(jì)算： [R{sense }=frac{V{csth max }}{I{2 pk}}]

4. 初級(jí)RCD鉗位和電感緩沖網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

由于制造限制，初級(jí)和次級(jí)繞組之間的漏感不為零。開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，漏感中存儲(chǔ)的能量會(huì)導(dǎo)致大的電壓尖峰。為了保護(hù)功率開(kāi)關(guān)，必須使用RCD鉗位網(wǎng)絡(luò)。

RCD鉗位的功率損耗可通過(guò)以下公式獲得： [P{clamp }=frac{1}{2} cdot I{1 pk }^{2} cdot L{leak } cdot f{op } cdot frac{V{clamp }}{V{clamp }-V_{refl }}]

鉗位電阻 (R{clamp }) 和電容 (C{clamp }) 的值可通過(guò)以下公式計(jì)算： [R{clamp }=frac{2 cdot V{clamp } cdotleft(V{clamp }-V{ref }right)}{L{leak } cdot I{1 pk }^{2} cdot f{op }}] [C{clamp }=frac{V{clamp }}{V{ripple } cdot f{op } cdot R{clamp }}]

5. 調(diào)節(jié)環(huán)路設(shè)計(jì)

使用帶有TLV431并聯(lián)穩(wěn)壓器的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)路拓?fù)?。光耦合器提供轉(zhuǎn)換器輸入和輸出側(cè)之間的良好隔離。輸出電壓由R9和R10的分壓比根據(jù)以下公式設(shè)置： [V{out }=1.25 cdotleft(1+frac{R{9}}{R_{10}}right)]

六、PCB布局設(shè)計(jì)

使用雙面PCB以最小化轉(zhuǎn)換器的尺寸。電路板的設(shè)計(jì)考慮了功率器件產(chǎn)生的功率損耗，采用了大的散熱區(qū)域。布局中融入了良好的接地技術(shù)和適當(dāng)?shù)母綦x距離。

七、轉(zhuǎn)換器性能

1. 功率轉(zhuǎn)換效率

DC/DC轉(zhuǎn)換器的功率轉(zhuǎn)換效率與輸入電壓和輸出功率的關(guān)系分別如圖7和圖8所示。

2. 空載消耗

空載消耗與輸入電壓的關(guān)系如圖9所示。

3. MOSFET波形

功率MOSFET Q1的柵極和漏極波形在不同轉(zhuǎn)換器條件下如圖10 - 13所示。

4. 負(fù)載調(diào)節(jié)

輸出電流從10%到100%階躍時(shí)的負(fù)載調(diào)節(jié)如圖14所示。

八、總結(jié)

通過(guò)合理設(shè)計(jì)變壓器、輸出電感、電流傳感變壓器、鉗位和緩沖網(wǎng)絡(luò)以及調(diào)節(jié)環(huán)路，并優(yōu)化PCB布局，使用NCP1216A控制器可以設(shè)計(jì)出滿足電信應(yīng)用要求的高效DC/DC單端正激轉(zhuǎn)換器。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求和條件進(jìn)行權(quán)衡和調(diào)整，以確保轉(zhuǎn)換器的性能和可靠性。你在設(shè)計(jì)類似轉(zhuǎn)換器時(shí)，是否也遇到過(guò)這些關(guān)鍵參數(shù)的選擇難題呢？