IRIS4015系列簡(jiǎn)要原理

IRIS4015系列是一種專為準(zhǔn)諧振工作方式的反激式變換器，其最大優(yōu)點(diǎn)是將準(zhǔn)諧振反激式變換器的控制電路和高壓MOSFET集成在一個(gè)TO-220封裝中，因此不需要另外設(shè)置開關(guān)管。IRIS4015系列的內(nèi)部原理框圖如圖1所示。

圖1  IRIS4015系列的內(nèi)部原理框圖

1 電路的啟動(dòng)與限流工作

與大多數(shù)開關(guān)電源控制芯片一樣，IRIS4015的啟動(dòng)僅僅需要在VCC端與直流母線間接一只啟動(dòng)電阻即可。其限流工作方式與大多數(shù)峰值電流型芯片的限流工作方式基本相同，詳盡原理不再贅述。

2 電壓反饋模式

為了實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定，可以利用電壓反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)，電路如圖2所示。

圖2  電壓控制反饋時(shí)的振蕩器的工作模式

由圖2可知，只要OCP/FB端電壓達(dá)到0.73V，內(nèi)電路就會(huì)將MOSFET關(guān)閉。那么，只要利用電壓反饋控制OCP/FB端電壓達(dá)到0.73V時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。如果將電壓反饋信號(hào)通過(guò)光電耦合器和R2送到C5端，這樣V_C5將不僅是漏電流在R5上的電壓，而是R5電壓與反饋電壓的迭加。反饋電壓越強(qiáng)烈，其作用越大，C5電壓達(dá)到0.73V的時(shí)刻就越早，而MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間越短，向輸出端傳輸?shù)哪芰吭叫?，從而?shí)現(xiàn)了輸出電壓的穩(wěn)定。

3 準(zhǔn)諧振工作方式

實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)諧振工作方式的關(guān)鍵是保證主開關(guān)在V_DS為極小值時(shí)將主開關(guān)開通，剩下的問(wèn)題就是如何檢測(cè)到這個(gè)極小值?？梢圆捎脵z測(cè)輔助繞組電壓的方法來(lái)快捷地檢測(cè)開關(guān)管的漏-源極電壓的極小值。具體實(shí)現(xiàn)方式見圖3。

圖3  準(zhǔn)諧振工作模式與主要波形

當(dāng)變壓器的儲(chǔ)能釋放盡，C4與變壓器初級(jí)諧振。當(dāng)變壓器各繞組電壓過(guò)零時(shí)，維持OCP/FB端的“高電位”消失，C5、C3將通過(guò)IRIS4015內(nèi)部電路和R4、R5以1.35mA電流放電。當(dāng)OCP/FB端電壓下降到0.73V時(shí)，IRIS4015內(nèi)部的控制電路驅(qū)動(dòng)主開關(guān)導(dǎo)通，從而完成準(zhǔn)諧振的工作模式。

在這里，C4、C5放電規(guī)律不隨輸入電壓和負(fù)載電流變化，因此一旦C4的電容量、變壓器初級(jí)電感確定，C3、C5放電到0.73V的延遲時(shí)間也隨之被確定。

4 輕載工作條件的改善

由于電路工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài)，滿載時(shí)的開關(guān)頻率大約為30kHz。隨著負(fù)載的減小，變壓器釋放儲(chǔ)能的時(shí)間變短，使開關(guān)頻率上升，空載時(shí)可以達(dá)到300kHz。這時(shí)，由于IRIS4015工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài)，因而有零導(dǎo)通寬度。MOSFET工作在其特性曲線的線性（或飽和）區(qū)。圖4給出了典型波形。這是因?yàn)樵诤苷膶?dǎo)通脈寬下，驅(qū)動(dòng)器在門極電壓還上升時(shí)，使驅(qū)動(dòng)輸出關(guān)斷，然后通過(guò)漏源之間飽和電壓的上升來(lái)控制施加在變壓器上的電壓。當(dāng)工作在輕載、準(zhǔn)諧振模式時(shí)，就會(huì)發(fā)生上述情形，但是不會(huì)引起其他問(wèn)題。顯而易見，頻率較高時(shí)，上升時(shí)間受準(zhǔn)諧振電容的限制，增加了損耗，從而降低了效率。這時(shí)，開關(guān)在PRC模式極其有利，能保持損耗和效率在一個(gè)合理的水平。當(dāng)負(fù)載變輕時(shí)，主開關(guān)可以不在第一個(gè)電壓極小值時(shí)導(dǎo)通，可以在諧振的第二個(gè)極小值導(dǎo)通；輕載時(shí)則可以越過(guò)若干的極小值后再導(dǎo)通。這樣就可以有效的降低輕載、空載時(shí)的開關(guān)頻率。

圖4  空載時(shí)諧振狀態(tài)下的V_DS波形

對(duì)于IRIS4015，可以采用圖5的電路。增加光電耦合器2（它可使準(zhǔn)諧振信號(hào)反饋起作用或失效）可以使工作模式在準(zhǔn)諧振模式和PRC模式之間轉(zhuǎn)換，即圖中電路A。

圖5  QR/PRC工作方式轉(zhuǎn)換電路

通過(guò)增加如圖5所示的電路B可使在輕載時(shí)將轉(zhuǎn)換到PRC工作模式。當(dāng)次級(jí)電壓下降時(shí)，PNP晶體管關(guān)斷使驅(qū)動(dòng)繞組的電壓也跟著下降，因此切斷了OCP/FB腳準(zhǔn)諧振信號(hào)反饋。一旦信號(hào)被切斷，通過(guò)內(nèi)部振蕩器轉(zhuǎn)換到PRC工作模式，工作頻率也減降低到大約20～40kHz。

變壓器的數(shù)據(jù)

在很多情況下，反激式開關(guān)電源的變壓器的數(shù)據(jù)是設(shè)計(jì)過(guò)程中的主要數(shù)據(jù)之一。輸出24V的100W準(zhǔn)諧振式開關(guān)電源的工作條件為：最大的占空比D_max=0.4；最小工作頻率f_min=50kHz；周期：T=20μs；最小輸入直流電壓：V_DCmin=200V；反饋電壓：133V；最大導(dǎo)通時(shí)間：8μs。

對(duì)應(yīng)的變壓器的數(shù)據(jù)為：變壓器鐵芯型號(hào)為EER35L磁芯；變壓器初級(jí)繞組匝數(shù)：66匝；變壓器次級(jí)繞組匝數(shù)：12匝；輔助繞組的匝數(shù)：9匝；變壓器磁路氣隙：1mm；變壓器磁路電感：567μH；初級(jí)線徑：  0.35mm，四股并繞；次級(jí)線經(jīng)：0.76mm，四股并繞。

準(zhǔn)諧振反激式變換器的實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

1 完整電路、電路板圖與原件明細(xì)

一個(gè)輸出100W用IRIS4015構(gòu)成的準(zhǔn)諧振反激式開關(guān)電源的整機(jī)電路的電路圖如圖6，元件排布圖如圖7，電路板圖如圖8。整個(gè)設(shè)計(jì)為可以放置在山西永明電源的75W電源殼內(nèi)。

圖6  IRIS4015構(gòu)成的準(zhǔn)諧振反激式開關(guān)電源的電路圖

圖7  元件排布圖

圖8  電路板圖

2 測(cè)試數(shù)據(jù)與分析

通常開關(guān)電源需要測(cè)試的波形主要有輸出紋波電壓峰-峰值和主開關(guān)管的漏源電壓波形。前者反映了輸出噪聲的水平，通過(guò)后者可以判斷電路的工作是否正常。

● 輸出紋波電壓

最大輸出紋波電壓峰-峰值發(fā)生在輸入電壓最高的狀態(tài)下，因此測(cè)試到最高輸入電壓下的輸出紋波電壓能符合要求，其他電壓下則均能符合要求。用100MHz帶寬數(shù)字示波器F105B測(cè)試輸出紋波電壓，得滿載時(shí)的紋波電壓峰-峰值為88mV。如果用20MHz通用示波器，測(cè)得的結(jié)果將更低。

輸出紋波電壓波形表明準(zhǔn)諧振工作狀態(tài)下，開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷過(guò)程中所產(chǎn)生的dv/dt、di/dt和電磁干擾被大大減小，可以明顯減小輸出電壓紋波。

● 漏源電壓波形

通常，開關(guān)管的漏源極電壓波形在最高輸入電壓時(shí)處于最惡劣狀態(tài)，因此，最高輸入電壓時(shí)的漏源極電壓波形就基本可以了解電路的工作狀態(tài)。測(cè)試結(jié)果如圖9（a）、圖9（b）、圖9（c）所示，分別為PRC工作狀態(tài)下的空載漏源極電壓波形和輕載、滿載時(shí)的漏源極電壓波形。

（a）空載狀態(tài)           （b）輕載狀態(tài)          （c）滿載狀態(tài)

圖9  輸入電壓為245V時(shí)的源/漏電壓波形

從圖中可以看到，空載時(shí)開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間幾乎為零，導(dǎo)通了就立即關(guān)斷。由于采用PRC控制方式，空載的開關(guān)頻率約為20kHz。有效的降低了開關(guān)管的開關(guān)損耗（這里主要指的是開關(guān)管的開通過(guò)程的損耗）。

輕載時(shí)，由于電路進(jìn)入準(zhǔn)諧振狀態(tài)，開關(guān)頻率比較高，約為100～110kHz左右，但是仍然比準(zhǔn)諧振狀態(tài)的300kHz低。開關(guān)管開通損耗處在可以接受的比較低的功耗水平。

滿載時(shí)電路工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài)，開關(guān)頻率大約為30kHz左右（在最低輸入電壓時(shí)，開關(guān)管的開通時(shí)間將比最高輸入電壓時(shí)長(zhǎng)約40%，方能獲得到相應(yīng)的儲(chǔ)能），開關(guān)管的源漏峰值電壓最大值為564V，可以推算出輸入264V時(shí)的開關(guān)管的源漏電壓不會(huì)高于600V，低于650V額定電壓，為正常工作狀態(tài)。

從上述三個(gè)圖中可以看到，無(wú)論是PRC還是準(zhǔn)諧振工作狀態(tài)，開關(guān)管的開通均在開關(guān)管漏源極電壓波形的極小值時(shí)刻。這樣就確保了開關(guān)管工作在“準(zhǔn)諧振”狀態(tài)。

● 變壓器漏感對(duì)開關(guān)管源漏電壓波形的影響

變壓器漏感對(duì)開關(guān)管源漏電壓波形的影響越大，漏感越大，源漏電壓尖峰越高。因此，要盡可能地降低變壓器的漏感。除了采用初級(jí)包圍次級(jí)的漏感繞制方法外，還可通過(guò)提高磁路的相對(duì)導(dǎo)磁系數(shù)μ值來(lái)實(shí)現(xiàn)。提高μ值最有效的方法就是減小氣隙，可以通過(guò)選用較大的磁芯有效面積來(lái)減少繞組的匝數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果有條件，可以采用三相漆包線，這樣就可以免除初次級(jí)之間的隔離間距、減少或取消隔離膠帶的層數(shù)，提高初次級(jí)之間的耦合系數(shù)。

● 效率測(cè)試

電源的效率是衡量電源性能的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。開關(guān)電源具有效率高的優(yōu)點(diǎn)，但通常情況下，反激式開關(guān)電源的效率都低于85%。輸入電壓不同時(shí)，開關(guān)電源的效率也不同。測(cè)試結(jié)果如表1。

輸出整流器選用100V耐壓的肖特基二極管，則效率可以超過(guò)90%。從所測(cè)試的效率看，由于“消除”了開關(guān)管的關(guān)斷損耗和緩沖電路的損耗，使電路的效率提高至少5%～8%。這樣，即使IRIS4015沒(méi)有散熱器，也不會(huì)過(guò)熱。在整個(gè)電路中最熱的是變壓器，溫升大約40℃。如果選用更合適的磁芯，則可以降低變壓器的損耗和溫升。同時(shí)，由于開關(guān)管和輸出整流器可以不用散熱器，電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將變得更為簡(jiǎn)單。