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準諧振式反激式開關電源IRIS4015原理及設計要點

2022-01-17

摘要:本文介紹了準諧式反激式開關電源IRIS4015的工作原理,并介紹了應用其進行電源設計的電路和在設計中應特別注意的幾個方面。中圖分類號:文獻標識碼:文章編號:

摘要:本文介紹了準諧式反激式開關電源IRIS4015的工作原理,并介紹了應用其進行電源設計的電路和在設計中應特別注意的幾個方面。

1前言

目前單片開關穩(wěn)壓電源有多種多樣,如TOPswitch.Tinyswitch.coolset等,這些單片開關穩(wěn)壓電源均工作在硬開關狀態(tài),開關損耗和EMI較大。為克服硬開關的缺點可用軟開關工作方式。在反激式開關電源中以無損耗緩沖電路和準諧振工作方式為簡單,而且準諧振工作方式可以實現零電壓的開通和關斷,在各種準諧振的解決方案中IRIS4015是一種很好的方案。

2IS4015工作原理分析

IRIS4015是單片準諧振式反激式開關電源中MOSFET和控制IC的集成,如圖1,有五個功能引腳:源(S)、漏(D)、控制IC的接地端(GND)、電源(Vcc)、過電流和電壓反饋輸入端(OCP/FB)。

圖1ISIR4015內部原理框圖

IRIS4015可以工作在準諧振模式下,該模式下頻率可變,在輕載和高電源電壓下達。IRIS4015具有各種保護電路如:溫度補償的逐個脈沖過電流保護(OCP)、過電壓鎖定保護(OVP)、熱關閉電路(TSD);啟動電流不超過100uA,有源低通濾波器可使輕載時穩(wěn)定度提高;內置溫度補償基準電壓;具有可調門驅動;并且可以通過外部元件調整開關速度用于EMI控制。

2.1IRIS4015工作原理如下:

IRIS4015的啟動工作方式UC3842相似,不再贅述。注意:啟動電阻Rs和啟動電容C2的取值范圍如下:

C2:22μF—100μF

Rs:47KΩ—68KΩ(輸入電壓110伏)

82KΩ—150KΩ(輸入電壓220伏)

反饋和控制電路工作

振蕩器和限流控制方式

振蕩器利用IC中C2的充放電產生脈沖信號確定MOSFET的關斷時間,如圖2,這是IC在沒有電壓控制反饋時,振蕩器的工作過程。當MOSFET導通時,內置C1被充電到約5.6V,漏電流ID流過R5產生壓降VR5(其波形為ID的鋸齒波),VR5被反饋到OCP/FB端來控制初級電流(初級電感電流控制方式),當OCP/FB端電壓達到門限電壓Vth(1)(0.73V)時,比較器1改變狀態(tài),振蕩器輸出關斷信號,MOSFET關斷。

圖2振蕩器與限流工作方式

當MOSFET關斷時C1開始被緩慢放電,C1電壓下降,其下降過程由C1值和放電電流確定,當C1的值降到1.2V左右時,振蕩器輸出導通信號,MOSFET重新導通,同時C1瞬間充電到5.6V左右,電路重復以上振蕩周期。上述由VR5(ID)的斜率確定的時間就是MOSFET的導通時間,C1和直流放電電路所確定的固定時間是MOSFET的關斷時間,這個固定時間被直流放電電路限制在50μS左右。

2.2次級電壓控制方式

次級輸出為電壓控制方式,如圖3所示,在輸出端設計的過電壓使光耦合器的LED中有電流流過,引起反饋電流流過光電耦合器的三管,并依次流過R4和R5,產生壓降VR4和VR5,使COMP1反向所需的VR5電壓(ID的峰值)被VR4(由FB電流產生)控制。因此如圖4所示:

圖3次級電壓控制方式

VR4在OCP/FB端產生附加直流偏置電壓,通過這一附加偏置電壓縮短OCP/FB端電壓達到門限電壓Vth(1)的0.73V所需的時間來降低MOSFET的導通時間。這將導致反向變壓器的儲能降壓,通常,來自VR4的偏壓在輕載時增加,而且MOSFET導通時沖擊電流產生的噪聲能使比較器1誤動作,為避免這個問題,可在MOSFET截止時,用一個無源低通濾波器R4、C5和有源濾波器來減小OCP/FB與GND之間的動態(tài)靜態(tài)阻抗,有源低通濾波器是OCP/FB端與地之間的一個1.35mA直流旁路,它將使MOSFET導通時OCP/FB端的靜態(tài)阻抗降低一半左右,而MOSFET導通時產生噪聲由C5來吸收。

圖4次級電壓控制對脈沖寬度的影響

2.3準諧振工作方式的分析

準諧振方式是在VDS小情況下的情況下,由初級線圈電感和一個緩沖電容器提供一個控制MOSFET開通的諧振信號,以降低開關損耗。在這種工作模式下的OCP/FB將高于Vth(2)=1.45V(6V),當這個電壓維持在Vth(1)以上時,MOSFET保持關斷狀態(tài)(注意:準諧振信號小持續(xù)時間1us)。因此,準諧振模式下的諧振頻率的一半周期用來使MOSFET導通。漏和源之間的諧振電容C3與變壓器初級電感形成諧振電路,在控制繞組D與OCP/FB端加一個由C3、D4、R5組成的延遲電路產生準諧振信號,在MOSFET截止時控制比較器2并觸發(fā)準諧振方式。

圖5諧振工作方式的應用電路

由于延遲電路的存在,即使變壓器上的全部能量都傳送到次級線圈,反饋到OCP/FB的準諧振信號也不會立即下降,這是因為C4和C5由有源濾波器(1.35mA的電流吸收器)和R6、R7的復合阻抗放電,某周期后,電壓降到Vth(1)或低于它,延遲時間取決于初級電感和C3。調整C4使得當MOSFET和VDS達到準諧振信號的低點時,MOSFET導通,因此延遲時間由C4和C5的放電時間確定,即使沒有C4,也會有一段延遲時間,當OCP/FB端和GND之間的電壓為6V時,準諧振信號必須低于這個電壓。

3電路設計要點

變壓器源電感LP的計算

(1)

其中:P0:輸出功率,F0:小振蕩頻率,η:電源效率≈0.75—0.85(低輸出電壓)

0.85—0.9(高輸出電壓),D:小VIN時的占空比,Vin:Vin小值時的濾波電容C1上的電壓。

圖5的IRIS4015應用電路的主要元件選擇:

(2)

(3)

(4)

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