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基于!!谐振变换器和准谐振#$%恒流控制的!&’驱动电源设计鲍晟!陈明鹏!潘海燕台州职业技术学院电子电气工程系!浙江台州!#$$$#摘要!使用谐振%准谐振拓扑结构设计&’(驱动电源!前级()%()变换电路采用磁集成的半桥&&)谐振变换器!后级恒流采用准谐振*+,控制的-../0电路$充分利用谐振-../0拓扑和&&)谐振变换器的高效率特性!提高电源效率和功率密度$介绍了电路基本结构和工作原理!讨论了两级电路的设计方法$在此基础上制作了样机!实验结果表明所给出的设计方案可行并且合理$关键词!&&)谐振变换器%准谐振%*+,%恒流%&’(驱动中图分类号!01#2文献标识码!3文章编号!245!26!2!6$547$4$7$!()*+,-./!&(01+2)13+45!!1)*.-6-47.-2)14)16-0896*+:1)*.-6-4#$%7.-*46-47911)-47.-41.;*4164),-3.)89:;)=’1,:;7?9:;*31=@7A@:!!#$%&’(&)*+,-&%)(.-$(/+,-&%.-$,+(0.(%.(0123.45)67)-3&.)(3,82-5(.-3,9),,01:$.45)6!#$$$195.($=*41674?B9CD:@:E@:FGH@C7I9CD:@:EED?DJD;9C@I9HC9FEDF9C;:&’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’(FIK9I与传统照明相比#&’(具有体积小$发热量低$耗电量小$寿命长$反应速度快等优点#正成为一种新型光源在照明领域扮演着越来越重要的角色U76V%为了提高&’(的工作稳定性#驱动电源的要求也在不断提高%&’(驱动电源一般由功率因数校正$前级()%()变换$恒定电流调节三级组成#常规的控制电路采用硬开关反激式拓扑或双开关正激拓扑%固定开关频率的硬开关控制可以实现宽输入电压和输出功率调节#控制性能良好#目前的技术也比较成熟#但是电路结构复杂#器件及控制器数量较多#电路体积大#总体成本高#在效率和功率密度方面会受到限制#因此在中小功率应用场合并不具有优势#可靠性方面受到影响U!V%为了提高&’(驱动电源效率和功率密度#本文提出了谐振和准谐振拓扑取代传统的硬开关方案%前级()%()变换采用电感$电感$电容!&&)三元件谐振变换器#可实现全功率范围内主开关管零电压开关!WX/$次级整流二极管零电流开关!W)/#极大地降低电路开关损耗#提高功率密度$可靠性和降低开关噪声U5V&末级恒定电流调节采用准谐振脉宽调制!*+,控制方式#通过调节开关工作频率使,./Y’0始终保持在电压谷值点时导通#导通损耗更低#提高了恒流驱动效率UZ72V%!方案介绍&’(驱动电源包括’干扰抑制电路[’,\]$功率因数校正电路[*Y)]$()%()转换电路和恒流驱动电路#如图所示%输入端’,\抑制电路既阻止开关电源产生的电磁干扰进入电源线影响其他设备#也阻止电源线的高频电压进入开关电源的输入端&功率因数校正电路用以提高功率因数#并将66$X工频交流整流得到5$$X左右的直流电压&()%()转换电路实现降压变换得到稳定低压直流电压#由&&)谐振变换器实现&恒流驱动电路用以实现&’(的恒流驱动#采用准谐振*+,控制的-../0电路%B主要电路设计BCD#E电路交流电经过’,\电路$整流桥$滤波电容后#进线电流会收稿日期!6$57$!74稿件编号!6$5$!2#基金项目!大学生科技创新活动计划新苗人才计划&项目’6$!(^)$&作者简介!鲍晟[__Z(]!男!浙江天台人$研究方向)电子技术应用$电子设计工程’J9PEID:P(9C;:’:;:99I:;第66卷XDJM66第4期1DM46$5年_月/9?M6$5!4$!产生畸变!与电压之间存在相位差!因此需要加入功率因数环节来提高电网利用率!功率因数校正的实质就是使用电设备从输入端看等效负载呈纯阻性功率因数校正电路按拓扑结构不同可一般分为!#$电路#%&&’(电路#%#$)%&&’(电路以及’*+,#电路考虑到后级--#谐振变换器较高母线电压有利于提高./0.#转换效率!+1#电路采用升压%&&’(电路采用%&&’(升压拓扑!按电感电流导通方式!可分不连续导通模式$.#2%#连续导通模式$//2%和临界导通模式$/32%三类/32模式工作在临界导电模式!没有./2那么大的器件应力!也不存在//2所具有的二极管反向恢复问题!且输入平均电流与输入电压成线性关系!既具有断续模式下主开关零电流导通的和二极管零电流关断的优点!又没有断流期间的振荡问题!适用于本方案!!半桥驱动##$谐振变换器%$&%$电路./4.#电压调整电路实现带电气隔离的降压变换!常规隔离式.#4.#变换器有单端反激式#半桥或全桥式半桥.#4.#变换器相比于单端1-5%6#$来说!磁芯利用率高!开关管电压应力较小!相比于全桥.#4.#变换器控制和驱动电路简单!对称驱动不易出现偏磁及上#下桥臂开关管直通问题!因此采用半桥驱动--#谐振变换器方案半桥--#谐振变换器电路如图7所示变换器包括&驱动89#87的方波产生器!由串联谐振电容!:#串联谐振电感:和并联励磁电感;组成的谐振网络!变比为#99的理想变压器(!=.9#=.7组成的整流电路!滤波电容!&以及负载电阻$&其中:可以是一个独立元件!或者与变压器磁集成目前国内外对--/的分析主要有基波分析$16%#时域分析#傅里叶分析和仿真分析等方法为便于工程设计!常用基波近似法对电路进行分析!可以得到谐振网络的直流电压增益为&%?@A&B&CDA97#9E9’F9GH(:(I7!J7K8H((:L(:(M7#H9M其中)A;:!(:A97!:!:#!*A7!N(::O#7$B;为励磁电感!:为谐振电感!!:为谐振电容!)为励磁电感与谐振电感比值!$B为负载电阻!(:为:和!:的谐振频率!*为电路品质因数!(:7为:E;和!:的谐振频率P(:7A97!Q:K;M!:#由增益方程式H9M可以得到不同)#*值的归一化增益特性曲线!如图N所示当(A(:时!谐振电路的特性与负载电阻$B无关!%?@A9’当输入电压较低时!为使电路获得较大的增益!谐振电路工作于低频(R(:模式!%?@S9’当输入电压较高或负载较轻时!谐振电路工作于高频(S(:模式!%?@R9当负载较重或低输入时!谐振频率(:7R($(:!实现开关管89#87的T=’和副边整流二极管=.9#=.7的T#’!(越低于(:!%?@越大!效率会有提升!但开关管的开关振铃耦合到输出级会产生更大的开关纹波!谐振电容!:的电压应力会越高’当负载较轻即$B增大时!谐振频率(升高工作于(S(:模式!此时%?@R9!只有开关管89#87实现T=’软开关!整流二极管T#’条件丧失!随之带来需要考虑减少开关损耗等问题’另一方面!随着$B的增大!电路品质因数*值变低!电路效率会明显下降因此!在额定输入电压U输出负载下!应该设计变换器工作在(A(:附近!达到性能和效率的最优!同时会减少负载变化引起开关频率的变化!并降低开关器件的损耗--#谐振变换器采用12控制模式!即占空比为947的+V2信号对称驱动上下臂开关管!用调节开关频率的方法控制功率流到输出侧其直流电压增益公式由式H9M决定!控制信号和谐振槽#整流二极管的关键电流波形如图W所示!’准谐振()*控制恒流驱动电路常规硬开关变换器的工作频率固定!2&’1*(开通0关断图9方案电路图1CXY9(Z[@C:@\C]^]:\@]\:[B_-*.?:C‘CDXaBb[:图7半桥--#谐振变换器1CXc7de_f:C?X[--/:[^BDdD]@BD‘[:][:图N--/谐振变换器归一化增益特性曲线1CXcNgdCD@Zd:d@][:C^]C@B_d--/:[^BDdD]@BD‘[:][:鲍晟!等基于--/谐振变换器和准谐振+V2恒流控制的-*.驱动电源设计!h9!图!较低母线电压时#谐振槽波形$%&’()*+,-%.,/012314,56-.765#-,76/1/001/810263%/+9046201&,时间固定!在磁复位的过程中!由于变压器电感和功率管上寄生电容存在!开关管上的电压降会存在振荡在电压振荡曲线中的谷值点!也就是:;$)=漏源电压的第一个最小值处!如果在这个时候让:;$)=管开通!那么导通的电流尖峰将会最小!在某些条件下!甚至可以获得?采用这种跟踪电压谷值点的变开关控制频率方法!即为准谐振技术!准谐振使开关损耗#待机功率等方面都可以实现高效#低功耗#低成本等要求恒流驱动电路采用基于准谐振@A:控制的B;;=电路!如图C所示实际应用中的控制芯片采用安森美公司的D#@2EE!DF@2EEG是一款增强型的准谐振脉冲宽度调制电流模式控制器!它结合了真正的电流模式调制器与去磁检测器!确保电源在任何负载条件下均能工作在不连续的导电模式在DF@2EEG中有两个重要特征!其一#用软跳周期技术来控制峰值电流并去除一些开关脉冲!从而控制开关损耗!进而实现空载#轻载状态下的高效性能!并能在变压器进入跳周期工作时有效去除噪声其二#为了保证任何时候都能在谷值点开通!实现准谐振工作方式!使用了无线圈去磁检测技术电路采用自由运行的边界H临界模式#准谐振控制!可以调节不同的输入电压和负载的变化传统的电源设计都工作在固定频率模式下!从而使得功率管在高压接通!关断过程中功率管上消耗的瞬时功率较大!同时还会引起一定的电磁干扰DF@2EEG控制器用准谐振技术和软跳周期技术能解决这个问题同时还可以通过调节电感电流峰值从而改变)I的驱动电流!达到调光的目的!实验结果为了验证本文提出的)I驱动电源电路!制作设计了一台输出为EJ?HJK的实验样机!F谐振变换器母线电压为LMM?!经I#HI#变换电路后电压为JL?#谐振变换器控制部分使用NCOO芯片!F谐振变换器部分的主要参数如表P所示图L谐振槽关键电流波形$%&QLR,S314,56-.765F-,76/1/001/8图C准谐振@A:控制恒流驱动B;;=电路$%&’CB;;=T%-T9%065U917%V-,76/1/0@A:T6/701/0T9--,/0T6/0-6270-10,&S表##$谐振变换器设计参数%&’()&*&+,-,*./0##$1,./2&2-$/23,*-,*名称输入电压W!XDR输出电压W!690谐振频率W-最高电压增益最低电压增益最低开关频率W.%/最高开关频率W.1*谐振电容W#-谐振电感W$-励磁电感W$.变压器匝数比参数LMM?JL?PMM8YZPQJCMQOCCM8YZPEM8YZEE/$GG!YNJM!Y[\P\P图N额定负载时的波形$%&QN)*+,-%.,/01