采用MPS 可變關(guān)斷時(shí)間控制器HFC0300實(shí)現(xiàn)反激變換器的設(shè)計(jì)指南

本應(yīng)用說(shuō)明介紹了采用MPS 可變關(guān)斷時(shí)間控制器HFC0300實(shí)現(xiàn)反激變換器的設(shè)計(jì)指南，如圖 1 所示。遵循本文的步驟，即可輕松設(shè)計(jì)具有可變關(guān)斷時(shí)間（或準(zhǔn)固定導(dǎo)通時(shí)間）控制的反激變換器。此外，文章最后一部分還展示了基于設(shè)計(jì)實(shí)例得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

*附件：采用MPS 可變關(guān)斷時(shí)間控制器HFC0300實(shí)現(xiàn)反激變換器的設(shè)計(jì)指南.pdf

圖1: 采用可變關(guān)斷時(shí)間控制器HFC0300實(shí)現(xiàn)的反激變換器

HFC0300簡(jiǎn)介

HFC0300是一款集成了高壓電流源的可變關(guān)斷時(shí)間控制器。它采用固定峰值電流技術(shù)，隨著負(fù)載的減輕可降低頻率，因此具有出色的輕載效率，同時(shí)也可優(yōu)化其他負(fù)載條件下的效率。當(dāng)輸出功率低于給定水平時(shí)，控制器將進(jìn)入突發(fā)模式，以進(jìn)一步減少空載或輕載條件下的功耗。其內(nèi)部
Vcc 欠壓鎖定 (UVLO)保護(hù)、過(guò)載保護(hù) (OLP)、過(guò)壓保護(hù) (OVP)、短路保護(hù) (SCP) 和過(guò)溫關(guān)斷 (TSD)保護(hù)功能均集成在
IC 中，以減少外部元件數(shù)量。本應(yīng)用說(shuō)明介紹了采用 HFC0300
實(shí)現(xiàn)離線式反激變換器的實(shí)用設(shè)計(jì)指南，并給出詳細(xì)的分步設(shè)計(jì)流程，其中主要包括變壓器設(shè)計(jì)、輸出濾波器設(shè)計(jì)和元件選擇。

可變關(guān)斷時(shí)間控制簡(jiǎn)介

可變關(guān)斷時(shí)間控制是反激變換器的變頻控制方案之一。通過(guò)實(shí)施固定峰值電流模式控制，開(kāi)關(guān)峰值電流被固定（準(zhǔn)固定開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間），而關(guān)斷持續(xù)時(shí)間則根據(jù)所需的輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。在
MOSFET 導(dǎo)通期間，漏極電流增大；一旦漏極電流達(dá)到內(nèi)部固定峰值電流水平，MOSFET
就會(huì)關(guān)斷。反饋環(huán)路將根據(jù)輸出條件控制頻率或關(guān)斷時(shí)間。因此，隨著負(fù)載的減小，關(guān)斷時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，開(kāi)關(guān)頻率也隨之降低。隨著輕載時(shí)頻率的降低，所有與頻率相關(guān)的損耗也相應(yīng)降低（如柵極驅(qū)動(dòng)損耗、開(kāi)關(guān)損耗、磁芯損耗），從而提高效率。

降低開(kāi)關(guān)頻率會(huì)迫使變換器工作于可聞區(qū)域。為了防止變壓器產(chǎn)生機(jī)械諧振，HFC0300能夠隨著負(fù)載的減輕逐步降低峰值電流。

圖 2顯示了關(guān)斷時(shí)間控制反激變換器中原邊開(kāi)關(guān)的漏源電壓波形。在
MOSFET 導(dǎo)通期間，漏極電流線性增大，直至達(dá)到峰值電流水平。然后 MOSFET
關(guān)斷，反激變壓器中的漏感與寄生電容一起振鈴，并導(dǎo)致高壓尖峰。該尖峰可通過(guò)鉗位電路來(lái)限制。當(dāng)FSET引腳電壓達(dá)到COMP（反饋引腳）電平時(shí)，開(kāi)關(guān)再次導(dǎo)通并開(kāi)始新的開(kāi)關(guān)周期。

圖2: 關(guān)斷時(shí)間反激變換器的關(guān)鍵波形

設(shè)計(jì)流程

A. 預(yù)先確定輸入和輸出規(guī)格

• 輸入交流電壓范圍：V ac(min) 、V ac(max) ，例如 90Vac ~ 265Vac RMS
• 直流總線電壓范圍：V in(max) 、Vin(min)
• 輸出：V o 、I o(min) 、I o(max) 、Pout
• 估計(jì)效率：η，用于估計(jì)功率轉(zhuǎn)換效率，以計(jì)算最大輸入功率。一般情況下，根據(jù)不同的輸出應(yīng)用，η可設(shè)置為0.8~0.9。

最大輸入功率的計(jì)算公式如下：

Pi n =Poutη
圖 3 展示了典型的直流總線電壓波形。在通用輸入條件下，直流輸入電容 Cin 通常設(shè)置為 2μF/W。對(duì)230V單量程應(yīng)用而言，電容值可減半。

圖3: 輸出電壓波形

根據(jù)上述波形可得到交流輸入電壓 VAC 和直流輸入電壓 V DC ：

VD C (Va c , t ) = √ 2 ×V2ac**? 2 ×PinCin**×t
設(shè)定 V AC =V DC ，則直流總線電壓達(dá)到其最小值 VDC(min) 時(shí)的T1可通過(guò)下式計(jì)算：

VD C (mi n )=VDC**(Va c (mi n ) ,T1 )**
然后，可得到最小平均直流輸入電壓 V in(min) ：

Vi n (mi n ) = √ 2 ×VA C (mi n )+VDC**(mi n )**2
以及最大平均直流輸入電壓 V in(max) ：

Vi n (ma x ) = √ 2 ×Va c (ma x )

B. 確定啟動(dòng)電路

圖3所示為啟動(dòng)電路。上電后，內(nèi)部 2mA 電流源通過(guò)連接至
HFC0300 HV 引腳的 R1 對(duì) C1
進(jìn)行充電。一旦VCC電壓達(dá)到11.7V，內(nèi)部高壓電流源（2mA）即關(guān)閉，IC開(kāi)始開(kāi)關(guān)，輔助繞組則接管電源。如果在輔助繞組接管電源之前，VCC
已降至 8.2V 以下，則開(kāi)關(guān)停止，內(nèi)部高壓電流源再次開(kāi)啟，它將對(duì) VCC 外部電容 C1 重新充電，從而開(kāi)始另一個(gè)啟動(dòng)過(guò)程（見(jiàn)圖 4）。

圖 4：HFC0300 啟動(dòng)電路

圖 5：HFC0300 啟動(dòng)波形和 VCC UVLO

C. 匝數(shù)比N、原邊MOSFET 和副邊整流二極管選擇

圖 5 顯示了反激變換器中原邊 MOSFET 和副邊整流二極管的典型電壓波形。由波形可知，原邊MOSFET漏源電壓的額定值 Vds 可通過(guò)公式(6)來(lái)計(jì)算：

Vd s =Vi n (ma x ) + N × (Vout**+VF**)+60Vk
其中，k是降額因子，通常選擇為0.9；VF是整流二極管的正向電壓；此處假設(shè)尖峰電壓為60V。

副邊整流二極管額定電壓 Vka 可通過(guò)公式 (7) 來(lái)估算：

Vk a =Vi n (ma x ) N +Voutk
其中k是降額因子，通常選擇為0.9。

圖 6：原邊MOSFET 和副邊整流二極管的電壓應(yīng)力

根據(jù)公式 (6) 和 (7)，可以計(jì)算出原邊 MOSFET 和副邊整流二極管的額定電壓與匝數(shù)比 N 的關(guān)系，如圖 6 所示。

例如在一個(gè)90Vac~265Vac輸入、19V輸出適配器應(yīng)用中，推薦選擇650V MOSFET和100V整流二極管以獲得更好的性能。從圖 7可以看出，N=6可滿足額定電壓要求。

圖 7：原邊 MOSFET 和副邊整流二極管的電壓應(yīng)力額定值

D. 電流采樣電阻

峰值電流水平內(nèi)部設(shè)置為0.5V，因此電流采樣電阻可用于設(shè)置原邊峰值電流，同時(shí)決定變換器的工作模式，如CCM、BCM或DCM。如果電源被設(shè)計(jì)為在低線電壓輸入時(shí)以
BCM 模式運(yùn)行，那么在高線電壓輸入和相同負(fù)載條件下將以 DCM 模式運(yùn)行。磁化電感電流（反映至原邊）和原邊 MOSFET 的漏源電壓如圖 8
所示。

圖 8：不同線電壓下的原邊 MOSFET 電感電流和電壓

副邊電流的持續(xù)時(shí)間可通過(guò)公式（8）計(jì)算：

Tsecon d =Lm**×IpeakN**×VO
其中，Lm為原邊磁化電感，Ipeak 為原邊峰值電流。由于在不同輸入和相同輸出條件下的 Ipeak 總是相同，因此副邊電流的持續(xù)時(shí)間也是相同的。開(kāi)關(guān)周期可以通過(guò)公式(9)計(jì)算：

T = N ×Ipea k ×Tsecond2**×Io**
根據(jù)公式(9)可知，在不同輸入和相同輸出條件下，開(kāi)關(guān)周期也始終保持一致。由于原邊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間隨著輸入電壓的增加而減小，因此，輸入線電壓越高，其進(jìn)入的DCM模式就越深。通常應(yīng)在最小輸入條件下設(shè)計(jì)參數(shù)，以確保變換器能夠在最小輸入條件下提供所需的輸出功率。

由于N已選定，因此，如果電源設(shè)計(jì)為在低線電壓下以邊界電流模式 (BCM) 運(yùn)行，則峰值電流可通過(guò)公式 (10)輕松計(jì)算：

Ipea k _BC M =2Io1**?**D
其中D為開(kāi)關(guān)占空比，可通過(guò)公式(11)計(jì)算：

D = (Vo +VF**)×NVi n + (Vo +VF**)**×**N
如果電流采樣電阻設(shè)定的峰值電流大于 I peak_BCM ，則電源進(jìn)入DCM模式；反之，如果電流采樣電阻設(shè)置的峰值電流小于 I peak_BCM ，則電源將進(jìn)入CCM模式，如圖9所示。這里的 Kdepth 被定義為CCM的深度。

Kdepth**=IvalleyIpeak**

圖9: CCM模式下的原邊電流

峰值電流可由公式（13）計(jì)算得出：

Ipea k =2I o ( 1 ? D ) × ( 1 +Kdepth**)**×N
通常，40W 以下的功率級(jí)別優(yōu)選 BCM（邊界電流模式）；功率水平高于40W時(shí)選擇CCM（連續(xù)電流模式）。提供的功率越高，應(yīng)采用更深的 CCM，從而實(shí)現(xiàn)更高的效率與滿載散熱性能。例如，對(duì)于90W的電源，Kdepth可選擇0.5。

所以，當(dāng)給定電源規(guī)格后，我們首先需要確定變換器的工作模式，即確定 K depth 。Ipeak 和 Ivalley 可以通過(guò)公式(10)至(13)計(jì)算。電流采樣電阻則根據(jù)公式（14）來(lái)選擇：

Rsense**=VpeakIpeak**
其中 Vpeak 是電流采樣電阻的峰值電壓閾值；對(duì)HFC0300來(lái)說(shuō)是恒定的0.5V。然后，我們根據(jù)公式（15）中給出的功耗來(lái)選擇具有適當(dāng)額定功率的電流電阻：

Psense**= [ (Ipea k +Ivalley2**) 2 +112**(Ipea k ?Ivalle y ) 2 ]× D ×Rsens**e

E. 原邊電感Lm

反激變換器能夠提供的功率與存儲(chǔ)在其原邊電感 Lm 中的能量相關(guān)，如CCM模式下的公式 (16) 和DCM模式下的公式 (17)。

12**×Lm**×(I2pea k ?I2valley**) ×fs =po**_CCMη
12**×Lm**×I2peak**×fs**=**p**o**_**C**C**M**η**
調(diào)節(jié)輸出功率的方法有兩種，調(diào)整峰值電流值（傳統(tǒng)峰值電流模式控制）和/或調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率。HFC0300 通過(guò)調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率，同時(shí)保持峰值電流值恒定。因此，一旦選定了峰值電流，反饋環(huán)路就會(huì)自動(dòng)設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率以獲得所需的輸出功率。

由于 Ipeak 和 Ivalley 在設(shè)計(jì)之初已經(jīng)確定，因此如果選定了 fs，就可以計(jì)算出 Lm。要提供良好的 EMI 性能，65kHz的最高頻率通常是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)槠涠沃C波（2*65kHz）的傳導(dǎo) EMI 噪聲仍未經(jīng)過(guò)測(cè)試（傳導(dǎo) EMI 頻率范圍：150kHz~30MHz）

如 D
部分所述，在理想情況下，不同輸入線電壓和相同輸出功率條件下的開(kāi)關(guān)頻率是相同的。但在實(shí)際電路中，情況略有不同。盡管閾值是恒定的，但由于不可避免的傳播延遲，高線電壓的峰值電流將比低線電壓的峰值電流稍高一些，開(kāi)關(guān)頻率將在低線電壓和滿載條件下達(dá)到最大值。所以我們通常選擇65kHz為低線滿載時(shí)的頻率。而所有計(jì)算都是在最低線電壓情況下進(jìn)行。

F. CFSET 和OLP功能的設(shè)計(jì)

如圖 10 所示，最大頻率根據(jù)連接到 FSET 引腳的電容 CFSET
的充電結(jié)束時(shí)間來(lái)設(shè)定。在原邊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通后的很短時(shí)間之后（約 0.6us），恒流源開(kāi)始為電容充電，并將其電壓與來(lái)自反饋環(huán)路的 COMP
電壓進(jìn)行比較（見(jiàn)圖 10）。一旦該電容電壓達(dá)到閾值，電容即快速放電至 0V，并開(kāi)始新的周期。為了使 FSET 引腳上的電壓完全放電，在 CFSET 再次充電之前，有大約 0.6μs 的內(nèi)部延遲（見(jiàn)圖 11）。因此，開(kāi)關(guān)頻率可由 VCO（壓控振蕩）等反饋環(huán)路進(jìn)行調(diào)節(jié)。連接到 FSET 引腳的電容可通過(guò)公式（18）計(jì)算：

CFSE T =28u A ×(1fmax**+0.6u s )0.88V**
其中，fmax為最大頻率，由連接到 FSET 引腳的電容設(shè)置。

圖 10：VCO（壓控振蕩）工作模式

圖 11：COMP 電壓調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率

如上所述，開(kāi)關(guān)頻率在低線電壓和滿載時(shí)達(dá)到最大值。我們將該頻率定義為fs（此處選擇65kHz），最大頻率(f max )設(shè)置為約 110%的fs。頻率隨著輸出功率的增加而提高。當(dāng)頻率達(dá)到CFSET設(shè)置的最大頻率時(shí)，會(huì)發(fā)生過(guò)功率限制，導(dǎo)致輸出電壓無(wú)法維持，從而使COMP 飽和并低于 OLP（過(guò)載保護(hù)）閾值（0.85V）。

HFC0300 采用獨(dú)特的數(shù)字定時(shí)器方法來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)
(OLP)。當(dāng)COMP低于0.85V錯(cuò)誤標(biāo)志時(shí)，定時(shí)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。如果錯(cuò)誤標(biāo)志被移除，則定時(shí)器重置。如果計(jì)數(shù)達(dá)到 6000 ，則定時(shí)器溢出，觸發(fā)
OLP。定時(shí)器的持續(xù)時(shí)間可避免在電源處于啟動(dòng)或負(fù)載過(guò)渡階段時(shí)觸發(fā) OLP 功能。因此，啟動(dòng)期間，應(yīng)在 6000 個(gè)開(kāi)關(guān)周期以?xún)?nèi)建立輸出電壓。

審核編輯 黃宇