早期的非周期性開關(guān)電源當(dāng)作家用電器的電源以來都選擇它激式的電路結(jié)構(gòu)，整個控制過程是振蕩狀態(tài)與抑制狀態(tài)之間的耗時之比，故稱其為自激式反激變換器，即RCC(Ringing Choke Converter)電路[1]。RCC電路始終處于臨界模式的工作狀態(tài)，由于自身變壓器的工作特點(diǎn)，導(dǎo)致其工作頻率與輸出的電流和輸入的電壓密切相關(guān)[2-3]。由于輸入電壓會改變電路的占空比及開關(guān)管的耐壓要求高，故輕載時易產(chǎn)生間歇振蕩、干擾等缺陷，這些細(xì)節(jié)在設(shè)計和調(diào)試時都必須留意[4-7]。盡管RCC電路擁有一些缺點(diǎn)，但是RCC電路的優(yōu)勢很明顯：電路結(jié)構(gòu)簡單；大多與驅(qū)動相關(guān)的困難(譬如驅(qū)動波形的處理、變壓器飽和的處理等)在RCC電路中可以得到較好的解決；輸出高頻的雜音也會變小[8-10]；整個RCC電路的效率較高。改進(jìn)后的RCC變換器可消除交叉導(dǎo)通與變壓器飽和等問題，且在直流電壓127 V~396 V的范圍內(nèi)正常工作，可提供250 W以上的較高功率，RCC電路的性價比被大大提升[11-12]。如今RCC電路優(yōu)越特性已備受大眾喜愛，因此高性能的電源設(shè)備大都使用RCC電路，如低壓小功率模塊電源、家用電器、手機(jī)充電寶等[13-15]。

　　1 RCC電路介紹

　　下面主要說明RCC電路的工作原理、輸出電壓的穩(wěn)定環(huán)節(jié)和重要參數(shù)的分析與計算。

　　1.1 電路工作原理

　　在輸出的電壓保持一定電壓時，比較器將會輸出高電平，振蕩器停止輸出脈沖，開關(guān)管將會截止；在輸出的電壓減小后，比較器將會輸出低電平，振蕩器繼續(xù)輸出脈沖，開關(guān)管將會導(dǎo)通。自非周期性開關(guān)電源作為家用電器電源以來，普遍采用了自激振蕩結(jié)構(gòu)來簡化之前繁瑣的電路。整個控制過程是振蕩狀態(tài)與抑制狀態(tài)之間的耗時之比，故稱其為自激式反激變換器。圖1是實(shí)際生活中應(yīng)用最廣泛的RCC工作原理圖。

　　為方便分析RCC電路，特做如下假設(shè)：

　　(1)不計變壓器漏感電流對電路主管Tr1的Vce的影響；(2)不計輸出濾波電感對電路的影響；(3)電容C2的分壓在穩(wěn)態(tài)時恒定；(4)電阻Rg穩(wěn)態(tài)時忽略不計。

　　1.1.1 RCC電路的起動

　　電源Vin接通之后，電流ig經(jīng)電阻Rg注入電路主管Tr1基極。當(dāng)達(dá)到并超過Tr1的閾值電壓時，Tr1開始導(dǎo)通，這里的電流ig稱為起動電流，電阻Rg稱為起動電阻。

　　1.1.2 開關(guān)管Tr1處于ON狀態(tài)

　　當(dāng)Tr1處于ON狀態(tài)時，Vce非常小，可忽略不計。由圖1可知Vb與主管導(dǎo)通的極性一致，所以主管Tr1在Vb的作用下維持導(dǎo)通狀態(tài)。令主管Tr1基極與發(fā)射極之間的壓降為Vbe1，二極管D2的正向壓降是Vf2。初級繞組Np的壓降為Vin，繞組Nb的分壓Vb如式(1)，基極電流Ib如式(2)：

　　可見，基極電流Ib是連續(xù)而又穩(wěn)定的電流。然而，晶體管Tr1的集電極電流Ic是單調(diào)遞增函數(shù)，當(dāng)其增至一定值時，假設(shè)經(jīng)過了Ton的時間，基極電流Ib會出現(xiàn)不足以維持繼續(xù)增長的情況。進(jìn)而使晶體管Tr1由飽和區(qū)進(jìn)入不飽和區(qū)，此時Vce將會增大，即分得一部分Vin，顯然初級繞組Np所分得的電壓將會減少。由式(2)可知，Vb也會隨之減小，那么基極電流Ib會更顯不足，主管Tr1會迅速進(jìn)入OFF狀態(tài)。

　　1.1.3 開關(guān)管Tr1處于OFF狀態(tài)

　　在開關(guān)管Tr1由ON狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镺FF狀態(tài)的同時，變壓器的磁通量會發(fā)生改變。而磁通量的改變，導(dǎo)致變壓器次級繞組感應(yīng)電動勢反向，D4導(dǎo)通，產(chǎn)生電流i2，向負(fù)載提供功率。一段時間之后，令其為Toff，變壓器所儲存的能量會釋放完全，電流i2降為0。然而變壓器原邊線圈還存有少許能量，這部分能量驅(qū)動線圈Nb產(chǎn)生正向感應(yīng)電壓，主管Tr1啟動進(jìn)入ON狀態(tài)，晶體管完成一次開關(guān)動作。

　　1.2 輸出電壓穩(wěn)定環(huán)節(jié)

　　1.2.1 變壓器的工作頻率

　　RCC電路的穩(wěn)壓器實(shí)質(zhì)上是利用次級繞組在OFF狀態(tài)時產(chǎn)生的反向電動勢來驅(qū)動負(fù)載。變壓器儲能的單位時間的釋放量與輸出功率關(guān)系如式(3)，式中：Lp為初級繞組的電感，f為變壓器的工作頻率。

　　1.2.2 穩(wěn)壓二極管的目的

　　RCC電路穩(wěn)壓基本原理如圖2所示。

　　由上分析，晶體管Tr1由ON狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镺FF狀態(tài)的主要原因是集電極電流Ic是單調(diào)遞增函數(shù)，當(dāng)其增至一定值時，基極電流Ib會出現(xiàn)不足以維持繼續(xù)增長的情況。在穩(wěn)壓二極管Dz、主管Tr1的基極—發(fā)射極、電容C2組成的回路中，利用KVL定律得式(4)：

　　Vz=Vc+Vbe2(4)

　　式中Vbe2為此時主管Tr1的基極—發(fā)射極的壓降。由式(4)知在Dz導(dǎo)通時，完成對驅(qū)動電流Id的引流，保證了晶體管的OFF狀態(tài)。

　　1.2.3 輸出電壓的精度調(diào)節(jié)

　　由變壓器的特性易得，圖1中繞組Nb的電壓值Vb與輸出繞組NS的電壓值Vs如式(5)：

　　Vb=Vc+Vf3，Vs=Vo+Vf4(5)

　　當(dāng)Vbe2、Vf3、Vf4的值較小，可以忽略不計，由式(4)和式(5)得式(6)：

　　式(6)表明，輸出電壓Vo與穩(wěn)壓二極管的導(dǎo)通電壓Vz成正比，即輸出電壓與穩(wěn)壓二極管的精度一致。

　　1.3 兩個重要參數(shù)的分析與計算

　　1.3.1 振蕩占空比D的分析與計算

　　在對RCC電路的占空比D分析之前，對圖1變壓器部分電路進(jìn)行必要的近似與簡化后如圖3所示。

　　分析圖3得知電流i1隨著時間t的增加而增加，在t=Ton時，初、次級線圈的最大電流值i1p和i2p為：

　　進(jìn)一步可以得到次級電路的電流瞬時值i2，當(dāng)t=Toff時，變壓器儲能釋放完全，如式(9)和式(10)：

　　1.3.2 振蕩頻率的分析與計算

　　按照振蕩頻率f的定義，由式(6)、式(10)得：

　　次級繞組包括Ns和為晶體管Tr1的基極提供驅(qū)動電流的繞組Nb，Nb的存在直接影響了式(6)的合理性。通過對上述分析過程再做一個定性的校正：首先繞組Nb的存在將會分得變壓器的部分儲能，次級電路電流的最大值i2p將會減小；其次i2p減小，即式(6)的比值將會減小，凡依此值為基礎(chǔ)的計算結(jié)果都將做出微調(diào)，即i2會減小，Toff會減小，占空比D會增大，振蕩頻率f會增大。

　　2 RCC電路基極驅(qū)動的分析與改進(jìn)

　　2.1 RCC電路基極驅(qū)動

　　RCC電路的繞組Nb為晶體管Tr1的基極提供驅(qū)動電流Id，流過基極電阻Rb，此時必然會產(chǎn)生損耗[6]。繞組Nb的電壓Vb與輸入電壓Vin呈正比，驅(qū)動電流Id也相應(yīng)增大，基極驅(qū)動的損耗將會急劇增大。同時，驅(qū)動電流Id的增大，也會導(dǎo)致穩(wěn)壓電路的分流增大，易引起電路的間歇振蕩，進(jìn)而產(chǎn)生異常的噪音。

　　2.2 RCC電路基極驅(qū)動恒流部分設(shè)計

　　基極驅(qū)動之所以會出現(xiàn)上述的問題，根本原因在于驅(qū)動電流Id會隨著輸入電壓Vin的增大而增大。一旦獲得恒流驅(qū)動，即驅(qū)動電流Id恒定，即可解決上述問題。對基極驅(qū)動進(jìn)行改進(jìn)如圖4所示。在恒流源起作用時，Dz1此時并未導(dǎo)通，因?yàn)樗窃谥鞴躎r1處于OFF狀態(tài)起作用。此時穩(wěn)壓管Dz2、基極電阻Rb、主管Tr1的基極-發(fā)射極、二極管構(gòu)成了回路。當(dāng)Ib隨著Vin的增大而增大時，基極電阻Rb的壓降VRb將會增大，致使穩(wěn)壓管Dz2導(dǎo)通， 將Tr2進(jìn)行箝位，從而形成恒流驅(qū)動。這樣就解決了基極電阻Rb損耗問題以及間歇振蕩問題。

　　3 RCC電路的設(shè)計方法

　　RCC電路設(shè)計主要涉及功率、主電路、控制電路等的設(shè)計。下面結(jié)合如圖5所示的例子進(jìn)行簡要說明。

　　主要技術(shù)參數(shù)：(1)輸入電壓AC：150 V～250 V，頻率50 kHz；(2)輸出電壓5 V，輸出電流0.3 A；(3)穩(wěn)壓精度：10%；(4)工作效率>75%。計算時取輸入電壓的最小值150 V、輸出電流的最高值，則振蕩頻率f=50 kHz，占空比取0.4。

　　3.1 變壓器的電感與匝數(shù)

　　由理論分析可知，流經(jīng)繞組Np的電流i1(Ic)為三角波，若取工作效率η=75%，則輸入電流的平均值i1(ave)與i1的最大值i1p如式(14)，由變壓器的伏秒平衡原則[7]，得出式(15)，同時變壓器主要參數(shù)易于計算。

　　Po=1.5 W，i1p=0.067 A，T=2×10-5 s，Ton=T×D=8×10-6 s，Lp=17.9 mH，Vs=5.7 V。

　　根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，取Ns=4，則Np=71。若令Nb最小驅(qū)動電壓Vb=6 V，可得出Nb=3。

　　3.2 RCC穩(wěn)壓電路的計算

　　主管Tr1處于OFF狀態(tài)的情況下，穩(wěn)壓電路支路開始工作，此時由變壓器匝數(shù)比易得繞組Nb的電壓Vb=4.28 V。在圖2中由穩(wěn)壓管Dz、主管Tr1的基極-發(fā)射極、電阻R2、電容C5組成的回路中，忽略電阻R2，可得穩(wěn)壓管Dz的電壓Vz=Vbe+VC5=4.28 V。

　　4 結(jié)論

　　本文通過對RCC電路的工作原理及其基極驅(qū)動部分進(jìn)行分析與說明，在作了近似與簡化前提下，具體分析和計算了變壓器工作效率、連接穩(wěn)壓二極管目的及其如何工作、輸出電壓的精度及其與穩(wěn)壓二極管的精度如何構(gòu)成聯(lián)系；在RCC電路選取了振蕩占空比、振蕩頻率等參數(shù)的分析和計算；提出了基極驅(qū)動的恒流設(shè)計的解決辦法；對輸出為5 V/0.3 A的RCC電路進(jìn)行了實(shí)例分析與計算，并對一種新型RCC電路的充電器進(jìn)行了簡要的結(jié)構(gòu)分析，得出RCC電路具有成本低廉、性能優(yōu)越、效率高效等優(yōu)點(diǎn)。通過一系列的研究與改進(jìn)，新型RCC電路的優(yōu)勢能得到大幅度的提高，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)靡詳U(kuò)大。

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