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如何设计一款合格的高频开关电源的启动电路?

一款优质高频开关电源必然具备启动性能好、转换效率高等特点,但你有没有想过宽压高频开关电源的输入电压范围那么广,而高频开关电源IC芯片又需要稳定的工作电压,我们该如何保证模块的性能的呢?本文将让你从本质去了解高频开关电源模块。  

启动电路在为系统提供能量的同时,由于自身在极端恶劣情况下的严重损耗会给高频开关电源的稳定性带来风险。

好的启动电路只在高频开关电源系统启动时为其提供能量,当系统正常运行后便停止工作,那么怎样才能使启动电路即安全可靠又能在输出电压建立后停止工作呢?

  

启动电路设计构想 

DC-DC高频开关电源的输入电压范围宽,而高频开关电源IC芯片又需要稳定的工作电压,则启动电路就需要为IC提供安全稳定的启动电压。

如下图1所示,主要是一个由电阻和稳压管组成的简单启动电路,正常工作下该启动电路功耗较大,尤其高频开关电源在高温环境、输入高压、输出满载的情况下启动电路发热严重极易给系统的稳定带来风险,而且还会降低高频开关电源的转换效率。

如何设计一款合格的高频开关电源的启动电路?    

 图1 简单启动电路  

因此,启动电路不适合长时间持续地为高频开关电源IC及保护电路提供能量,一般只在系统启动时刻为其提供能量。当输出电压建立后,则由损耗较小的辅助绕组为芯片及保护电路提供能量,而此时的启动电路需停止工作。


一种启动电路设计

如下图2所示,为现在高频开关电源中常用的启动电路,该电路采用两个三极管做二级放大,可等效为三端线性稳压高频开关电源,具有启动速度快、性能安全可靠、输出电压建立后立刻停止工作的优点。  

输入电压VIN为NPN三极管Q1提供IB电流使用它处于放大区,IC为放大电流也为PNP三极管Q2的基极电流,通过对IC电流的控制,可使Q2处于饱和状态并以IE的饱和电流向电容C充电,直到 Q2处于半截止或半饱和状态。

此时,电容就等效成一个恒流源为IC芯片提供能量,当电容电压降到一定值时,启动电路继续为电容充电,直到辅助供电有电压后,才通过电阻R2、R3之间的分压使Q1处于截止状态,此时启动电路才停止工作,之后芯片的供电完全由辅助绕组提供。

    

如何设计一款合格的高频开关电源的启动电路?

 图2 标准启动电路

  

如下图3所示,为图2电路的实验波形图,绿色为IE电流波形,黄色为VDD电压波形(示波器采用zlgZDS2022)。


从图中可看出高频开关电源启动可分三个阶段,第一阶段,在上电时IE以近似1mA的电流向电容C充电,当VDD电压达到UCC28C40门限电压时进入第二阶段,此时饱和电流增加至5mA,在为IC供电的同时继续为电容充电,当输出电压建立后进入第三阶段,此时IE电流为零,启动电路停止工作,VDD电压上升至辅助绕组电压。


在启动的整个过程中,IE的电流都是比较小而且比较平缓,所以该电路安全可靠。

 如何设计一款合格的高频开关电源的启动电路?   

 图3 实验电路波形图


如何使启动电路安全可靠

要让启动电路安全可靠地运行,除了必要的理论计算以外,更多应该注意的是器件的选择,谨慎的器件选择能使电路的真实值更加接近计算的理论值。

稳压管D1要选择动态电阻小、膝点低的,这样能使Q1基极的电位在输入电压大幅度变化下保持一个较小的波动,从而使得供电电压VDD稳定。

电阻R1、R2、R3的电阻值在电路能正常工作下尽量取大一些,以减小启动电路的损耗。R4主要是限制IE电流使得Q2快速达到饱和点,如果在条件允许下Q2的封装尽量大一点以增强散热能力。 

辅助绕组的电压也是影响启动电路稳定的因素,辅助绕组电压偏低,则会使启动电路在高频开关电源带载时未能完全管断,Q2管在高温高压满载情况下很可能会因过热而烧毁。

辅助绕组电压偏高,在某些异常情况下会使得辅助绕组供电的电压接近或超过高频开关电源IC的额定电压,对高频开关电源IC构成威胁。

辅助绕组的电压过高还会对高频开关电源的整体效率有一定影响,启动电路设计的好坏将会影响整个开关系统的性能指标。

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