在上期中，我們探討了有源EMI濾波器是縮小汽車電源、降低成本的先進(jìn)解決方案。

本期，為大家?guī)?lái)的是《優(yōu)化放大器電路中的輸入和輸出瞬態(tài)穩(wěn)定時(shí)間》，將討論如何利用死區(qū)時(shí)間內(nèi)的磁通量衰減效應(yīng)，來(lái)有效防止推挽式轉(zhuǎn)換器中的變壓器飽和問(wèn)題。

引言

推挽式轉(zhuǎn)換器已成為一種常用拓?fù)?，用于?gòu)建 1W 至10W 范圍內(nèi)的隔離式電源。此拓?fù)淇膳c數(shù)字隔離器、隔離式放大器、隔離式模數(shù)轉(zhuǎn)換器、隔離式接口（例如隔離式控制器局域網(wǎng)和隔離式 RS-485）以及隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行配對(duì)。請(qǐng)參閱圖 1。

圖 1：推挽式轉(zhuǎn)換器

推挽式轉(zhuǎn)換器的普及源于其操作簡(jiǎn)單、電磁輻射低、峰值電流低、效率高、抗擾度高和系統(tǒng)成本低。只需使用以下幾種分立式元件即可設(shè)計(jì)具有推挽式拓?fù)涞母綦x式電源軌：兩個(gè)電源開關(guān)、一個(gè)中心抽頭變壓器和一些整流器二極管。這是一種前饋拓?fù)?，不需要基?a href="http://www.brongaenegriffin.com/yuanqijian/guangou/" target="_blank">光耦合器的反饋，因此不存在環(huán)路穩(wěn)定性問(wèn)題。

盡管推挽式轉(zhuǎn)換器有許多優(yōu)點(diǎn)，但存在一個(gè)大問(wèn)題，即可能發(fā)生變壓器飽和。這種轉(zhuǎn)換器依靠?jī)蓚€(gè)運(yùn)行相位之間的良好匹配來(lái)避免變壓器鐵芯中出現(xiàn)磁通量累積。變壓器飽和會(huì)導(dǎo)致初級(jí)電流呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，從而造成輸入電源崩潰甚至損壞轉(zhuǎn)換器。本文介紹了可能導(dǎo)致推挽式轉(zhuǎn)換器中變壓器飽和的情況，以及能夠減輕或防止變壓器飽和的參數(shù)。

推挽式轉(zhuǎn)換器的基本工作原理

在圖 1 所示的推挽式轉(zhuǎn)換器中，場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)Q1 和 Q2 設(shè)計(jì)為驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度相等，并在交替周期中具有相同的導(dǎo)通時(shí)間 (T)。兩個(gè)初級(jí)繞組采用特定纏繞方式，使 Q1 導(dǎo)通產(chǎn)生的磁通量與 Q2 導(dǎo)通產(chǎn)生的磁通量完全相等且方向相反。每個(gè)相位中的磁通量累積 (?B) 與變壓器初級(jí)兩端施加的電壓 (V) 和施加電壓的時(shí)間 T成正比。在所有元件完全匹配的情況下，變壓器鐵芯中的磁通量通過(guò)零點(diǎn)四周的兩個(gè)象限，如圖 2 所示。兩個(gè)相位中的磁通量完全抵消，因此，轉(zhuǎn)換器能夠在穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行，沒(méi)有連續(xù)的磁通量累積。磁化電流 (Im) 會(huì)相應(yīng)地在零點(diǎn)四周以三角波擺動(dòng)。

圖 2：變壓器中的磁通量以及 Im

失配的影響

如果兩個(gè)運(yùn)行相位之間存在失配問(wèn)題（例如，如果施加的電壓不同或持續(xù)時(shí)間不同），一個(gè)周期中變壓器中積累的磁通量在另一個(gè)周期中不會(huì)完全被抵消。這種狀況會(huì)在一個(gè)完整的運(yùn)行周期后留下輕微的殘余磁通量，這些磁通量隨著時(shí)間的推移會(huì)慢慢增加，最終使變壓器進(jìn)入飽和區(qū)。請(qǐng)參見圖 3。根據(jù)失配的極性，Im會(huì)在正區(qū)域或負(fù)區(qū)域中累積。在飽和區(qū)，通過(guò)變壓器初級(jí)繞組的電流會(huì)急劇增加，可能對(duì)變壓器和驅(qū)動(dòng)器晶體管造成災(zāi)難性損壞。

圖 3：失配引起的磁通量增加和 Im上升

對(duì)適配問(wèn)題進(jìn)行補(bǔ)償

實(shí)際可行的推挽式轉(zhuǎn)換器總是存在適配問(wèn)題。隨著時(shí)間的推移，即使是最小的失配也會(huì)導(dǎo)致磁通量大量累積。這是否意味著推挽式轉(zhuǎn)換器將始終飽和？不是。

Q1 和 Q2 導(dǎo)通電阻 (RON) 的負(fù)反饋、限流以及 Im在死區(qū)時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)截?fù)載都有助于防止變壓器飽和。接下來(lái)將介紹這些技術(shù)的使用以及相應(yīng)效果。

FET RON 的負(fù)反饋

如圖 3 所示，在磁通不平衡的情況下，一個(gè)相位中的 Im高于另一個(gè)相位中的相應(yīng)值。電流較大的相位會(huì)在功率FET 中出現(xiàn)較高的壓降，因此在該相位下對(duì)變壓器兩端施加較低的電壓。在該相位累積的磁通量較少，因此會(huì)減小 Im。如果轉(zhuǎn)換器中的失配很小，該負(fù)反饋?zhàn)阋允罐D(zhuǎn)換器保持穩(wěn)定平衡。

但是，根據(jù) FET RON 和 Im 的值，該負(fù)反饋可能無(wú)法補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器失配的影響。例如，如果輸入電壓 (VIN) 為5V，峰值 Im為 100mA，且 FET RON為 1Ω，則 FET RON可提供的最大負(fù)反饋為 100mA × 1Ω = 100mV，相對(duì)于 5V 的超出百分比為 2%。也就是說(shuō)，F(xiàn)ET RON能夠補(bǔ)償高達(dá) 2% 的失配（例如，由兩個(gè)相位之間的導(dǎo)通時(shí)間不匹配引起的失配問(wèn)題）。在大多數(shù)情況下，這 2%的補(bǔ)償足以防止飽和。但是，如果 FET RON僅為0.25Ω，則負(fù)反饋只能補(bǔ)償 0.5% 的失配，這一數(shù)值可能不足以始終防止飽和。

這種近似分析有助于了解 FET 電阻的負(fù)反饋所能補(bǔ)償?shù)氖涑潭?。?duì)于 FET RON設(shè)計(jì)得很低以便降低傳導(dǎo)損耗的大功率轉(zhuǎn)換器，F(xiàn)ET 電阻的負(fù)反饋可能不足以防止變壓器飽和。

限流

另一種防止飽和的技術(shù)是逐周期限流，它可以監(jiān)控每個(gè)周期中通過(guò) FET 的電流。如果電流超過(guò)安全限值（通常設(shè)置為工作電流范圍的兩到三倍），則該周期將終止。雖然限流可作為一種可靠的安全措施，但這種方法會(huì)導(dǎo)致更高的整體 I2R 功率損耗，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器中的峰值電流被允許上升到高于要求的值。輕載條件下對(duì)效率的影響更大，在這種情況下，無(wú)負(fù)載電流意味著 Im必須大幅增加到更高的值才能達(dá)到電流限值。圖 4 所示為限流對(duì) Im的影響，該電流不能超過(guò)設(shè)定的電流限值。

圖 4：限流可防止 Im累積到不安全水平

死區(qū)時(shí)間對(duì)推挽式變換器中變壓器飽和的影響

為了防止擊穿電流，推挽式轉(zhuǎn)換器在兩個(gè)相位之間總是存在一定的死區(qū)時(shí)間。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，F(xiàn)ET Q1 和 Q2 都關(guān)斷。死區(qū)時(shí)間在防止變壓器飽和方面的有利效果如下所述。

在圖 5 中，磁化電感建模為 Lm。流經(jīng) Lm的電流為Im。FET Q1 和 Q2 在死區(qū)時(shí)間內(nèi)均關(guān)斷，因此 Im 會(huì)升高 Q1 或 Q2 的漏極電壓，從而使 Diode1 或 Diode2正向偏置。電流路徑取決于死區(qū)時(shí)間開始時(shí) Im的極性。變壓器鐵芯兩端將出現(xiàn)次級(jí)側(cè)電壓，從而使鐵芯磁通量衰減。換句話說(shuō)，Im在死區(qū)時(shí)間內(nèi)流經(jīng)次級(jí)側(cè)二極管Diode1 或 Diode2 時(shí)以某種方式發(fā)生衰減。當(dāng) Im（因此鐵芯磁通量）達(dá)到零時(shí)，流經(jīng)次級(jí)二極管的電流將停止。

圖 5.Im流經(jīng)二極管時(shí)衰減

如果總死區(qū)時(shí)間占導(dǎo)通時(shí)間 T 的百分比大于兩個(gè)相位之間磁通量失配的百分比，則磁通量在死區(qū)時(shí)間內(nèi)將始終衰減為零。推挽式轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在在一個(gè)象限內(nèi)工作，如圖 6 所示。如果穩(wěn)定狀態(tài)下在一個(gè)相位中產(chǎn)生的磁通量(ΔB1) 比另一個(gè)相位中產(chǎn)生的磁通量 (ΔB2) 更高，從而在整個(gè)周期結(jié)束時(shí)產(chǎn)生凈的正 Im，那么該正 Im在死區(qū)時(shí)間內(nèi)流經(jīng)次級(jí)二極管時(shí)會(huì)發(fā)生衰減（?B3和 ?B4），直到磁通量和 Im降至零。如圖 6 所示，Im不會(huì)無(wú)限期累積，而是會(huì)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并保持正值。同樣，如果失配在兩個(gè)相位結(jié)束時(shí)導(dǎo)致凈負(fù) Im，Im將以凈負(fù) Im達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖 6.盡管存在失配，但磁通量和 Im仍保持穩(wěn)定， 并在死區(qū)時(shí)間 (DT) 內(nèi)衰減至零

器件測(cè)量結(jié)果

我們通過(guò)測(cè)試模式特意在兩個(gè)相位之間添加了時(shí)序失配，測(cè)試了死區(qū)時(shí)間對(duì) SN6505B 推挽式轉(zhuǎn)換器的影響。在沒(méi)有失配的情況下，每個(gè)相位的導(dǎo)通時(shí)間為 625ns。添加失配以使兩個(gè)導(dǎo)通時(shí)間（T1 和 T2）一直偏斜至540ns 和 710ns，總計(jì)失配為 170ns。然后，觀察開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的電源轉(zhuǎn)換器效率和過(guò)沖，找出變壓器飽和的跡象。Im 的突然增加將表現(xiàn)為電源轉(zhuǎn)換器效率和過(guò)沖的拐點(diǎn)。

SN6505B 每個(gè)時(shí)鐘周期的總內(nèi)置死區(qū)時(shí)間為 160ns，即每個(gè)導(dǎo)通時(shí)間后的死區(qū)時(shí)間為 80ns。圖 7 展示了當(dāng)相位之間的失配從 90ns 增加到 170ns 時(shí)轉(zhuǎn)換器效率與負(fù)載電流間的關(guān)系。圖 8 以圖形方式顯示了150ns、160ns 和 170ns 三個(gè)失配值的開關(guān)節(jié)點(diǎn)（Q1 和Q2 的漏極）。如這兩個(gè)圖所示，轉(zhuǎn)換器的效率曲線以及開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的過(guò)沖在失配約為 150ns 至 160ns 時(shí)顯示出拐點(diǎn)，這個(gè)時(shí)間接近于 SN6505B 和 Im中的總死區(qū)時(shí)間。這些測(cè)量結(jié)果對(duì)上一部分中的分析形成支持，并證明低于死區(qū)時(shí)間的失配（以導(dǎo)通時(shí)間的百分比表示）不會(huì)使推挽式轉(zhuǎn)換器飽和。

圖 7.不同導(dǎo)通時(shí)間 T1 和 T2 值下的效率與負(fù)載電流間的關(guān)系

圖 8.不同導(dǎo)通時(shí)間 T1 和 T2 值下的開關(guān)節(jié)點(diǎn)過(guò)沖

這些結(jié)果還表明，SN6505B 能夠保持穩(wěn)定，即使在特意添加 10% 到 12% 失配的情況下也不會(huì)飽和。該百分比要比推挽式轉(zhuǎn)換器中通常存在的失配值（2% 至 3%）高得多。為了進(jìn)一步提供保護(hù)，SN6505B 還具有內(nèi)置電流限制功能。

結(jié)論

死區(qū)時(shí)間內(nèi)次級(jí)二極管中的磁通量衰減對(duì)于防止飽和非常有效。只要失配低于死區(qū)時(shí)間（采用百分比形式），就有可能防止變壓器飽和。使用SN6505B 設(shè)計(jì)的隔離式電源不會(huì)飽和，因此在存在較大失配時(shí)仍能保持穩(wěn)定。