准谐振反激式开关电源设计

摘 要： 设计了一种基于UCC28600控制器的准谐振反激式开关电源电路，分析了准谐振反激式开关电源的工作原理及实现方式，给出了电路及参数设计和选择过程，以及实际工作开关波形。实验证明，准谐振反激式开关电源具有输入电压范围宽、转换效率高、低EMI、工作稳定可靠的特点。准谐振技术降低了MOSFET的开关损耗，提高产品可靠性。此外，更软的开关改善了电源的EMI特性，允许设计人员减少滤波器的数目，降低了产品成本。

关键词： 准谐振； 反激； CRM； DCM； FFM； UCC28600

中图分类号： TN710⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）21⁃0148⁃04

准谐振转换是十分成熟的技术，广泛用于消费产品的电源设计中。新型的绿色电源系列控制器实现低至150 mW的典型超低待机功耗。本文将阐述准谐振反激式转换器是如何提高电源效率以及如何用UCC28600设计准谐振电源。

1 常规的硬开关反激电路

图1所示为常规的硬开关反激式转换器电路。这种不连续模式反激式转换器 （DCM）一个工作周期分为三个工作区间：（[t0～][t1]）为变压器向负载提供能量阶段，此时输出二极管导通，变压器初级的电流通过Np：Ns的耦合流向输出负载，逐渐减小；MOSFET电压由三部分叠加而成：输入直流电压[VDC、]输出反射电压[VFB、]漏感电压[VLK。]到[t1]时刻，输出二极管电流减小到0，此时变压器的初级电感和和寄生电容构成一个弱阻尼的谐振电路，周期为2π[LC]。在停滞区间（[t1～][t2]），寄生电容上的电压会随振荡而变化，但始终具有相当大的数值。当下一个周期[t2]节点，MOSFET 导通时间开始时，寄生电容 （[COSS]和[CW]）上电荷会通过MOSFET放电，产生很大的电流尖峰。由于这个电流出现时MOSFET存在一个很大的电压，该电流尖峰因此会做成开关损耗。此外，电流尖峰含有大量的谐波含量，从而产生EMI。

2 准谐振反激式设计的实现

利用检测电路来有效地“感测”MOSFET漏源电压（[VDS]）的第一个最小值或谷值，并仅在这时启动MOSFET导通时间，由于寄生电容被充电到最低电压，导通的电流尖峰将会最小化。这情况常被称为谷值开关 （Valley Switching） 或准谐振开关。这种电源是由输入电压/负载条件决定的可变频率系统。换言之，调节是通过改变电源的工作频率来进行，不管当时负载或输入电压是多少，MOSFET始终保持在谷底的时候导通。这类型的工作介于连续 （CCM） 和不连续条件模式 （DCM） 之间。因此，以这种模式工作的转换器被称作在临界电流模式 （CRM） 下工作。临界模式下MOSFET漏源电压如图2所示。

在反激式电源设计中采用准谐振开关方案有着许多优点：

（1）降低导通损耗

由于MOSFET导通具有最小的漏源电压，故可以减小导通电流尖峰。减轻了MOSFET的压力，降低器件的温度。

（2）降低输出二极管反向恢复损耗

由于二次侧的整流管零电流关断，反向恢复损耗降低，从而提高电源整体效率。

（3）减少EMI

导通电流尖峰的减小以及在准谐振过程中存在频率抖动， 将会减小EMI 噪声，这就减少EMI滤波器的使用数量，从而降低电源成本。

3 基于UCC28600控制器的钨灯电源的设计

3.1 UCC28600控制器的主要特性

UCC28600控制器的主要特性有先进的绿色模式控制方式；低EMI及低损耗（谷底开关）的准谐振控制方式；空载损耗小于150 mW（低待机电流）；低启动电流（最大 25 μA）；可编程过压保护（输入电压和输出电压）；内置过温保护，温度回复后可自动重启；限流保护：逐周期限功率，过电流打嗝式重启；可编程软启动；集成绿色状态脚（PFC使能端）。

3.2 UCC28600工作原理

UCC28600内部集成了UVLO比较器，高频振荡器，准谐振控制器和软起动控制器，待机模式跳脉冲比较器，输入和输出过电压保护。其内部结构图如图3所示。

（1）UVLO比较器

UCC28600的[VDD]电压在13 V起动，在低于8 V时关闭， 有5 V的滞差电压， 可以提高UCC28600工作的稳定性。

（2）内部振荡器

UCC28600内部集成了一个40～130 kHz的振荡器。

（3）准谐振控制器和软起动控制器

UCC28600采用准谐振的开关变换器以提高转换效率，利用变压器的励磁磁通，在开关关断期间，检测变压器绕组的输出电压，如果电压偏低及处于振荡的波谷时，可以确认该时刻变压器励磁磁通耗尽，可以开启下一周期。该准谐振模式可分为临界导通模式（CRM）和不连续导通模式（DCM）以及频率调制模式（FFM）。

（4）待机模式和跳脉冲比较器

当功率继续减小，UCC28600进入待机模式；频率调制模式（FFM）频率下降到40 kHz，不再减小；当FB小于0.6 V时，开关脉冲输出关断，当FB大于0.7 V时，开关脉冲正常输出，从而得到跳脉冲模式的待机工作状态。

（5）输入和输出过电压保护

OVP引脚为过电压（线电压和负载电压）输入脚以及谐振开通的响应脚，此脚通过变压器初级偏置线圈来侦测输入过压，负载过压及谐振条件，其过压点可通过与此脚相连的电阻来灵活调节。

3.3 钨灯电源的技术指标

输入电压：95～260 V AC 50/60 Hz；输出电压：5 V；输出电流：4.3 A；可遥控关闭电源输出。

3.4 电源设计过程

钨灯电源电路图如图4所示，交流电源从左上角输入，经输入电源滤波器、整流桥、高压电容，转为约130～360 V的直流高压。[N14、][V30]组成高压侧主电路，将直流高压斩波为脉冲电压，通过变压器耦合，经[V12]整流输出，输出电容滤波为直流电压。

3.4.1 启动电路

由于UCC28600的启动电流非常小，典型值为12 μA，可以大大降低启动电阻的功耗，因而启动电阻由三个300 kΩ的贴片电阻串联而成。但由于[VDD]引脚需要一个足够的储能电容防止在工作时出现打嗝现象，带来的一个问题是[VDD]启动时电压上升过慢，电源启动时间过长。解决方法是[VDD]引脚采用小电容，反供绕组采用大电容，两者之间用[V34]（1N4148）隔离。

3.4.2 遥控电路

遥控电路用光耦TLP181安全隔离，当遥控信号输入CTL端加电流信号时，光耦输出端导通，通过[V33]将UCC28600的SS引脚拉低，关闭MOSFET的驱动信号；通过[R32]将[VDD]电压拉低，低于UCC28600的启动电压，避免芯片一直处于重启过程。

3.4.3 反馈电路

采用TL431采样输出端电压，通过光耦TLP181隔离后反馈到芯片的输入端。TL431的基准电压为2.495 V，通过[R84、][R85]的分压，将输出电压设定在11.5 V。由于负载为固定钨灯电源，所以不用考虑电源的瞬态相应，故TL431的补偿电容采用简单的Ⅰ类补偿，电路简单，稳定可靠。

3.4.4 变压器设计

设在最大负载时，UCC28600工作在准谐振模式，其最大占空比发生在最低输入电压时，在固定输入电压和输入功率的情况下：

初级绕组采用2×0.35漆包线，次级采用125 μm铜箔，采用三明治绕法，磁芯中心柱开气隙，使ALG为275 nH/T2。

3.5 测试数据

3.5.1 电源转换效率

电源在不同输入输出条件下效率如图5所示。

3.5.2 不同状态下的开关管波形

电源在不同状态下的开关管波形如图6所示。

由图6可以看出，当输出负载很小时，电源是工作于跳脉冲模式，这样可以降低开关损耗，提高轻载电源效率；随着负载加大，电源开始进入频率调制工作模式。在满载且输入电压较高时，电源工作于频率较高的准谐振模式；如果输入电压较低时，工作模式不变，但开关频率降低，维持开关管在波形谷底导通。

4 结 语

实践证明，基于UCC28600的准谐振反激式开关电源具有输入电压范围宽、输出电压精度高、高转换效率、低待机功耗等特点。本电源应用于钨灯电源中，最高效率达到86%，收到了良好效果。

参考文献

[1] PRESSMAN A I.开关电源设计[M].王志强，译.北京：电子工业出版社，2005.

[2] Jon Harper.准谐振电源设计之探讨[J].中国集成电路，2008，17（5）： 46⁃48.

[3] 汪洋，林海青，常越.反激式准谐振开关电源工作频率确定及电源研制[J].电力电子技术，2005，39（3）：92⁃94.

[4] 陈颖，陈永真.准谐振式反激式开关电源IRIS4015原理及设计要点[C]//中国电工技术学会电力电子学会第八届学术年会论文集.北京：中国电工技术学会，2002：196⁃200.

[5] 李雄杰.反激式开关电源准谐振变换的实现[J].电气应用，2005，24（3）：92⁃94.

[6] 熊吉，徐国林，张颖辉.基于FSCQ系列准谐振反激式电源设计[J].现代雷达，2011（9）：81⁃83.

[7] TI. UCC28600 [quasi⁃resonant]flyback controller [EB/OL]. [[2011⁃][08⁃01].] http：///cn/lit/gpn/ucc28600.

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