RCC 开关电源设计详解（二）

图2.1.1 间歇振荡动作

2.2 开关晶体管的恒流驱动设计

如果能找到一种恒流驱动方式，即虽然输入电压 VIN发生变化，但驱动电流不改变，那么上述问题就会迎刃而解，而且这里对具有恒流特性的精度要求并不高，采用图2.2.1 所示的电路就足够了。

图2.2.1 基极恒流驱动

该电路即便在输入电压VIN发生变化，流过 RB的电流IB也是恒定的。这样不仅可大幅度减小 RB的损耗，而且可以防止间歇振荡。

采用该方法后，即使输入电压在 AC100~200V 间连续变化，电路也能正常工作。但实际上，即使采用上述方法，当输入近似为空载状态时，仍会引起间歇振荡。此时，如图9所示，应该在直流输出端连接一个泄放电阻，不过此时的功率全部为无用功率，因此应该把电流值调整到刚刚不引起间歇振荡的大小。

图2.2.2 泄放电阻的效果

第三章 RCC 电路的建模与仿真

3.1 RCC 建模及参数设计

3.1.1 主要技术参数

(1) 输入电源电压 AC：150—250V；

(2) 输入频率：50Hz；

(3) 输出：电压5V；电流0.3A;

(4) 稳压精度：10%；

(5) 工作效率>75%；

(6) 电磁兼容：符合GB17743-1999要求；

(7) 功率器件过流保护功能；

(8) 模块化、低成本。

🔽基本电路参数的计算

图3.1.1 RCC电路图

输入电压越低、输出电流越大，振荡频率越低。由此，本设计中取振荡频率为 50kHz，且此时晶体管的占空比 D=0.4。

3.1.2 变压器绕组设计

1. 变压器电感及匝数的计算

变压器的初级绕组 NP的电流为三角锯齿状如图4，因此电流 i1v 的峰值 i1p是输入电流平均值的 2/D 倍。设功率装换效率为 η=0.75%，则有

Np线圈的电感为 Lp

由输出电压 Vo=5v，则次级线圈电压

由变压器的伏秒平衡可以得到

从而得到匝数比为

由于磁通变化只处在 B-H 曲线的一侧，由以下公式可确定所选择的 RCC 方式变压器的匝数

由于动作频率较低且输出功率很低，故采用的磁芯为 TDK 生产的材质为 H3s 的 EI22。

所选定二次线圈的匝数 Ns为

取4匝

所选定的一次线圈匝数 Np为

取71匝

设最低输入电压 VB=6V，则求得基极绕组匝数 NB为

取3匝

2. 变压器间隙的计算

下面计算变压器的间隙。本例中磁芯是材质为 H3s的 EI22，则磁路的总间隙 lg为：

实际的间隙纸板厚度为 lg的一半，即为0.006mm。

3.1.3 电压控制电路的设计

首先，当 Tr1处于 OFF 时，线圈 NB的电压 VB'为

作为电压控制用的齐纳二极管 Dz两端的电压 Vz为：

由于变压器本身也有压降，因此实际应用的电压值稍高一些的二极管。

3.1.4 驱动电路设计

开关晶体管 Tr1 的集射极实际电压波形如图3.1.4所示。

图3.1.4 开关管集电极电压波形

V1r由 Ton变为 Toff时，因变压器漏感磁通影响，而由一次侧自二次则传输的能量产生。

近似利用公式

求得

V1s 是由一次电路的电感成分所生成的浪涌电压。故 Tr1 集电极电压最高值 VCE为

因此本例中采用的是高速、高压开关电流用晶体管 smbta06。设Ic=0.067A 时，考虑一定的余裕，hFE取10，必须的基极电流IB约为6.74mA。于是基极电阻 RB为：

取 800 Ω

3.1.5 次级电容、二极管的选定

二极管Df 关断时反向电压 Vdr值为

🔽输出电容 Co的选择

电容器 Co内所导通的文波电流 ic0=ic - Io，ic0波形如图11所示。

图3.1.5 输出电容电流波形

其有效值为

当输入电压为最低而输出电流最大时，文波电流最大。此时纹波电流为

3.1.6 其他参数的选定

初级绕组的 RC 缓冲电路中，根据经验取 R=20k，而 RC 放电常数TRC 应该小于关断时间的十分之一。因此有

则求得电容 C 为

最后取47Pf

起动电阻的选择与起动电流有关，而起动电流ig最低有0.25mA就足够了。因此起动电阻 Rg 为

基极电阻 RB与变压器线圈 NB之间连接的电容器 C1 的目的是加速 Tr1的基极电流，改善电流的起动特性。该电路中，采用 0.0047u 的薄膜电容器。

3.2 设计电路的仿真

最终设计的简易 RCC 电路图如图12所示。由于仿真电路的3绕组变压器采用的是理想变压器，故在初级绕组上并联一个 18.0m 的电感，同时由于变压器的漏感较小，所以忽略掉漏感。另外，仿真电路的所有二极管均采用理想二极管，不过其压降为 0.7V。

图12 RCC 开关电源仿真图形

3.2.1 RCC 电路带额定负载时的仿真及设计标准的验证

在输入电压 AC 150V，输出电压5V，输出电流为 0.3A 时的仿真主要波形如图3.2.1所示。

图3.2.1 额定负载时仿真主要波形

从仿真波形可以看出，电路的工作周期为 T=22.23us，电流开通时间 Ts=9.43us，则占空比 D 为：

输出电压值为 Vo=5.067V，则其误差为

故符合设计标准。

3.2.2 RCC 电路带轻载时的仿真

当输入电压最高为250V，带电阻为 2K 欧姆的轻载时，仿真电路的主要波形，如图3.2.2所示。

图3.2.2 间歇振荡时主要波形图

如上图所示，当输入电压增大，负载电流小到一定程度时，变压器中存贮的磁能释放速度变慢，稳压二极管Dz的导通时间增长，晶体管的截止时间也增长，形成几百 Hz 到几 kHz 的阻塞振荡,变压器便发出此频率的振荡噪声，同时负载电压的纹波系数也会增大。另一方面，由于在控制电容 C5 两端并联了电阻 R3,使得电容能够在间歇振荡期间通过电阻放电，从而使电容的阴极电压提高。这样可以使副边电压下降时，不至于下降过多之后晶体管才会导通，从而使得输出电压变得平稳，有利于纹波系数的减小。

3.3 RCC 电路的改进及改进后的仿真

为了抑制消除这种间隙振荡现象，下面设计恒流电路从而提高电路的输入范围，提高电路带载能力。

经过改进后的 RCC 电路的设计如图3.3.1所示。

图3.3.1 带有恒流的 RCC 电路

如上图所示，一旦输入电压大于稳压二极管的击穿电压，那么晶体管Tr2的基极电压就会被钳制在（Vz+VF），从而流过晶体管基极电流就会被固定。

当输入电压最低时仍能保证 Dz2能被击穿，即输入电压为 150V 时能击穿 Dz2，则有下式：

从而可以求得

实际取4.7V

与稳压二极管串联的电阻取为100Ω。

改进后的 RCC 电路，输入可以在 AC150~250V 之间变化，并且不会出现间歇振荡现象。下面的波形是在输入为 AC250V，带电阻值为 3K 欧姆的轻载时得到的电路主要波形图，如图3.3.2所示。

图3.3.2 改进后的电路主要仿真波形

从电路波形图可以看出，即使输入为 AC250V，控制电路中晶体管 Tr1 的基极电压最大只有4.75V，而如果没有加入恒流源，则晶体管 Tr1基极驱动最大可以达到

因此加入恒流驱动后可以有效的降低了基极驱动电路，从而当晶体管 Tr1截止时从稳压二极管流过的电流将会大幅地降低，因此抑制消除了间歇振荡现象。

从晶体管 Tr1的集电极电压波形可以看出，此时 Tr1并没有完全开通即没有工作在饱和区，而是工作在放大区。把它的波形放大后看，如图3.3.3所示。

图3.3.3 集电极波形图

由图可以看出，当电流带一个轻载时，RCC 电路的输出电流减小，则周期变短，频率增大，同时 Ton时间亦变短，因而无法充分执行功率晶体管 Tr1的驱动，导致的 Tr1损耗增加。

我们将分三次推送本篇文章，

希望能够帮助一直以来关注我们的小伙伴

系统的了解 RCC 开关电源设计。

本篇是第二部分内容，

下次，我们将分享

《第四章 RCC 电路间歇振荡的应用实例》。

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