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用LM3488设计回扫开关电源供应器
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Design of Flyback Switching Power Supply with
LM3488
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■美国国家半导体欧洲分公司电源管理产品部高级应用技术工程师 Michele Sclocchi
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回扫拓朴结构是设计多输出分离开关电源及 48 伏输入电信应用方案最常用的拓朴结构。下文介绍如何利用高效率的 LM3488 低边
N 通道电流模式控制器设计成本低廉的断续式回扫开关稳压器。
回扫转换器基本上是一种降压/升压转换器。
图 1-a 所示的单式电感器可以分为两个并行连接的电感器，其线圈匝数为 1:1 (图 1-b)。分开之后，电感器的基本功能不会改变，而同一核心的两个并行线圈相等于一个线圈。如果两个线圈之间的连接中断，晶体管导电时电流便流经
L1 线圈，但当二极管导电时电流便流经另一线圈 L2。
变压器初级线圈上的点与次级线圈上的点刚好处于相反位置，从这个特征我们可以立即肯定所采用的是回扫拓朴结构。拓朴结构的最大问题是电感器兼变压器的设计，因为这个电感器兼变压器既负责储存能量，也负责执行变压器的功能。它与理论上的典型变压器不同，电流不会同时流入两个线圈。
产生磁化作用的初级线圈与原本的降压/升压转换器的电感器都以同一方式产生电感。当晶体管导电时，来自直流电电源的电力会储存在 L1。当二极管导电时，电力便会传送到输出电容器及负载。
断续模式与连续模式的优劣比较
回扫转换器有两种不同的操作模式，即断续模式及连续模式。这两个模式都有相同的电路图。图 2-a 及 2-b 显示变压器初级线圈及次级线圈的电流波形。
若输出电流提高至超过某一水平时，根据原本设计需采用断续模式的电路会改用连续模式。
以断续模式操作时，启动期间储存在初级线圈的所有电能会在下一周期开始前全部传送到次级线圈及负载。次级线圈的电流降至"0"而另一周期还未开始时的短短一瞬间也会出现一段空档时间。以连续模式操作时，每当另一周期开始时都会有部分电力保留在次级线圈内。
回扫转换器可以采用任何一种模式操作，但每一模式各有不同的功能特色。断续模式的峰值电流较高，因此可以在开关关闭后输出较高的尖峰电压，但其负载瞬态响应则较快，初级电感也较低，因此变压器的外型可以较小。由于输入反向电压之前的正向电流为"0"，因此二极管的反向恢复时间并非那么重要。此外，晶体管启动时其集电极电流为"0"，有助减低断续模式的电磁干扰噪音。至于连续模式，虽然其峰值电流较低，令输出的尖峰电压也较低，但低功率应用方案也很少采用这种连续模式，因为转换器转换函数的右半平面为"0"，使带宽不得不大幅压缩，以稳定反馈环路。
电压模式控制与电流模式控制的比较
电压模式控制电路只采用一个反馈环路。图 3-a 所示的是采用该模式的脉冲宽度调制电路。图中的振荡器负责利用外置电容器的固定电流产生固定的锯齿形三角波形
Vst。误差放大器则负责比较输出电压的反馈与参考电压，并根据比较结果产生误差电压 Ve。电压比较器则负责比较 Ve 与 Vst。若
Vst 比误差电压 Ve 高，脉冲宽度调制输出也会较高。
电压模式控制功能不能控制输出电流，因此负载瞬态必须通过输出电压的转变感测出来，并利用反馈环路加以校正。电流模式控制功能的优点是可以控制同一电路的输出电流及输出电压
(图 3-b)。只要改变功率晶体管的占空比，便可提供线路及电流瞬态响应。输出电压误差 Ve 及锯齿形波形 Vst 都可决定占空比的大小，而锯齿形波形
Vst 则由外置传感电流电阻器输出电感电流而产生。由于电流模式控制功能除了可为每周期提供电流限幅之外，还可提供卓越的带宽及瞬态响应，因此是较为理想的选择。
基本操作
图 4 是采用 LM3488 的典型回扫转换器设计， Vo1 是这个电路的主输出，而 Vo2 与 Vo3 则是其从属输出。从属输出会随着线路的转变而调节，以确保电压稳定，也会随着负载的转变而酌量调节，以确保电压稳定。
Q 启动时，Np 会产生固定电压，而电流会按照线性的函数方式上升，其速率可用以下公式表达：
dI/dt = (Vin 1/Lp)
而 Lp 为初级线圈磁化电感
启动完结时，初级线圈电流已上升到 Ip-peak=(Vin 1)Ton/Lp。在启动 (Ton) 时，储存在电感器的电力可用以下公式表达：
E:={L_{p} (I_{p-peak})}^{2}\over{2}
当 Q 关闭时，初级线圈的电感会将所有线圈的极性逆转过来。
假设只有一个输出，初级线圈的所有能量理论上应该会在关闭的一瞬间传送到次级线圈。次级线圈的最高电流相等于 Is-peak = Ip-peak
N，其中 N 是初级线圈与次级线圈之间的匝数比 (Np/Ns) 。
传送到输出的电功率为：
P:={E}\over{T}={[(V_{in}-1) T_{on}]}^{2}\over{2 T L_{p}}
其中
T 是指相等于 1/开关频率的时间
Ton 是指开启时间
回扫环路将 Vin Ton 乘积固定在某一水平，以确保输出电压保持稳定。
变压器设计
理论上，变压器不应储存能量，所有能量都会立即由初级线圈传到次级线圈。
回扫变压器可用作储存能量的装置。开关启动之后，大部分能量都会储存在变压器的初级电感之中。开关关闭后，能量便会传送到次级线圈以及输出电容器与负载。能量储存在核心的空气间隙，若采用的是透磁合金粉核心，能量则储存在核心之内。
电感变压器在设计上应力求将泄漏电感、交流电线圈损耗及核心损耗减至最低。泄漏电感属于不会与次级电感互相耦合的初级电感部分。由于泄漏电感一方面会减低变压器的效率，而另一方面又会在开关芯片的漏极产生峰值，因此必须注意将泄漏电感减至最少。
高线圈损耗主要由趋肤效应所引起。频率越高，电流便越倾向流向导电体的表面，因此在一般情况下都会采用编织线或薄片线圈。编织线通常用几条细小的电线绞合而成，而几条编织线可再绞合一起编织成更粗的绞合线。
核心的窗形口应开得越阔越好，以减少层数，使交流电线圈损耗及泄漏电感可以减至最低。内部设有空气间隙的 E 类核心是产生低成本及低泄漏电感的首选解决方案。
核心损耗取决于核心物料、开关频率及电流摆幅。对于采用断续导电设计而开关频率超过 100 kHz 的回扫变压器来说，铁氧体 P 物料通常是首选物料，因为这种物料可以降低核心损耗。
工作频率
LM3488 驱动器的工作频率范围较为广阔，可在 100 kHz 至 1 MHz 的开关频率范围内工作。
我们为电源供应器选择工作频率时，应详细考虑开关损耗、变压器总体损耗、磁性元件的外型大小、成本以及输出电容器等不同因素，力求各方面的优点都能充分发挥出来。
高开关频率会降低输出电容以及初级和次级线圈的电感，因此有助缩小变压器的体积。
但高开关频率也同样会增加变压器的损耗及开关器的开关损耗。高损耗会降低电源供应器的总体效率，以致需要加大散热器才能散发积聚的大量热能。
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