基于諧振控制器UCC28600EVM優化變換器的應用效率

作者：Martin Ma，Texas Instruments

本文詳細分析了65W 諧振工作模式的反激變換器在全電壓輸入范圍內的關鍵元器件的損耗，給出了全電壓工作范圍內變換器效率的計算曲線和實測曲線，對于理論分析變換器效率及提高諧振工作模式變換器的效率有指導意義。

1. 變換器輸入輸出電氣參數：

本文的分析和設計基于65W 輸出的筆記本適配器，輸入直流電壓Vin 為： 100~370V DC；輸出直流電壓電流為： 18V/3.6A 。根據輸入輸出條件，設定低壓滿載是65KHZ 工作頻率。按變換器的常規設計得到：Np:Ns=6:1 ，Lp=290uH。其他相關設計參數及原理圖可參考文獻2 及附錄。

2. 主要元器件的損耗分析

2.1.全范圍輸入電壓時占空比及工作頻率的變化

變換器全范圍工作在準諧振谷底開通模式，所以滿足Flyback基本的輸出輸出公式，可根據如下公式，計算得到滿載時占空比在全電壓輸入時的變化規律，其中D（Vin）為占空比D 和Vin 的函數關系，其變化規律如圖1 所示，其中Vo 為輸出電壓，Vd為副邊整流肖特基的導通壓降：

可以按如下的計算方式得到全電壓輸入時變換器工作頻率變化規律如圖2 所示，其中Lp為變壓器原邊電感量，Ipk_p（Vin）為原邊峰值電流和輸入電壓的函數關系，f（Vin）為變換器工作頻率和輸入電壓的函數關系，Ton 和Toff分別為導通和關斷時間。

2.2．Mosfet的損耗分析

如圖3 為變換器實際工作在諧振模式時Vds的工作波形，可見Mosfet開通時，變壓器的原邊電感Lp和Cds之間諧振，開通時電壓諧振到Vin-（Vout+Vd），此時電流從零開始增加，大大的降低了開通時的損耗，這是諧振工作模式的優勢。

Mosfet的損耗分為4 個部分，關斷損耗，導通損耗，開通損耗及驅動損耗，在該設計中使用的SPP11N60C3 Mosfet，可以根據Mosfet的全范圍輸入時電壓電流的變換規律，計算分析Mosfet的全輸入范圍的損耗分布，其中驅動損耗主要和工作頻率關系較大，導通損耗需估計其熱效應的影響，按結溫100?C 估算，圖中可見關斷損耗隨輸入電壓增加而增加。

2.3．整流橋及副邊整流肖特基損耗分析

在本設計中，副邊整流肖特基選用STPS20120CT，100?C 時，VF=0.6V。如下圖5 顯示整流橋及肖特基的損耗在全范圍輸入時的變化，其中BD（Vin）和D（Vin）分別為整流橋和肖特基的損耗。

2.4．變壓器損耗分析

本設計中，使用RM10 的磁芯，該磁芯有效截面積較大，漏磁較小，在滿足飽和磁通余量的情況下，設計匝比為N1：N2=36T ：6 T，其中可查的 ，可以根據如下公式得到全范圍最大磁通量的變化規律如圖6，可見在輸入電壓最低的時候，磁通量為最大值。所以在設計時需要保證滿載輸入電壓最低時，保證此時磁通量小于飽和磁通并留有一定的裕量。

在滿足集膚效應和鄰近效應的基礎上，使用三明治繞法，漏感較小，原邊為Φ0.3*3，副為Φ0.5*4，如圖7 顯示了其在全范圍輸入的情況下其損耗的變化規律。其中Pwinding為變壓器的銅損，Ploss_core為鐵損，鐵損主要和磁芯的材質關系較大。

2.5.輸入濾波電容及原邊電流檢測電阻損耗分析

如圖8 為滿載時全范圍電壓輸入時輸入電容與原邊電流檢測電阻損耗變化。原邊電阻的損耗主要和通過該電阻的電流有效值有關系，輸入電容的損耗和其流通的電流有效值有關系。

2.6．其他損耗分析

變換器的其他損耗主要分為：原邊電流檢測電阻損耗，輸出濾波LC 的損耗，輸入電容損耗，RCD clamp吸收回路的損耗，IC 的供電損損耗，EMI 濾波器的損耗以及PCB 走線的損耗。如下圖9 為這些損耗的總結，其中EMI 濾波器的損耗以及PCB 走線的損耗主要是電阻性的損耗。

3. 理論分析和實測效率的對比分析

根據以上的分析，可以得到變換器的總損耗如下，將這些損耗累加，可以得到如圖10 全部損耗在全范圍輸入電壓內的變化規律，從而可以得到全范圍輸入電壓時的效率變化規律如圖11 所示。

基于上述設計和TI 的諧振控制器UCC28600EVM，測試得到實際的變換器效率如下圖12 所示?？梢?，計算得到的效率變化規律和實測的效率曲線基本相同，較為真實的反映了變換器的理論計算。實際計算時建立的工作模型越接近實際工作模型，計算的結果會越準確?？梢愿鶕鲜龅姆治龇椒ㄔ谠O計中優化變換器的效率，其中變壓器和開關器件是優化的重點。

4. 結論

通過以上的分析和測試，可得如下結論：

1. 對于諧振工作模式的反激變換器，最低電壓輸入時，滿載的變換器的效率最低，磁通量為最大值，需要針對最低輸入電壓去評估變壓器的飽和磁通量并留有一定的裕量。

2. 由于最低輸入電壓時變換器效率最低，此時變換器損耗最大，實際設計時可以根據此時的損耗去評估整個系統的熱設計。

3. 效率的計算結果和實測效率接近，使用本文損耗計算方式是一種有效的評估效率的手段，可以根據上述的分析方法優化變換器的效率。

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