源来如此|设计DCM反激式转换器

原创 德州仪器 2024-10-05 12:01

点击蓝字 关注我们



欢迎来到《电源设计小贴士集锦》系列文章



本期,我们将聚焦于

DCM 反激式转换器的设计

探讨为何在低功耗、低电流应用中

DCM 反激式转换器是一种

结构更紧凑、成本更低的选择

并讲解完成此类设计的分步方法



反激式转换器可在连续导通模式 (CCM) 或不连续导通模式 (DCM) 下运行。不过,对于许多低功耗、低电流应用而言, DCM 反激式转换器是一种结构更紧凑、成本更低的选择。以下是指导您完成此类设计的分步方法。


DCM 运行的特点是,在下一个开关周期开始之前,转换器的整流器电流会降至零。在开关之前将电流降至零,可以降低场效应晶体管 (FET) 功耗和整流器损耗,通常也会降低变压器尺寸要求。


相比之下,CCM 运行会在开关周期结束时保持整流器电流导通。我们在电源设计小贴士《反激式转换器设计注意事项》和电源设计小贴士《设计 CCM 反激式转换器》中介绍了反激式设计的利弊和 CCM 反激式转换器的功率级公式。CCM 运行非常适合中高功率应用,但如果您有一个可以使用 DCM 反激式转换器的低功率应用,请继续阅读。


图 1 展示了反激式转换器的简化原理图,该转换器可在 DCM 或 CCM 模式下运行。此外,电路还能根据时序在不同模式之间切换。要保持在  DCM 模式下运行(这也是本文要评估的内容),关键元件的开关波形应具有图 2 所示的特性。


当 FET Q1 在占空比周期 D 内导通时,运行开始。T1 初级绕组中的电流始终从零开始,然后达到根据初级绕组电感、输入电压和导通时间 t1 设定的峰值。在此 FET 导通期间,二极管 D1 由于 T1 次级绕组极性而反向偏置,迫使在 t1 和 t3 期间由输出电容器 COUT 提供所有输出电流。


图 1. 

这款简化的反激式转换器可在 DCM 和 CCM 下运行。


当 Q1 在周期 1-D 内关断时,T1 的次级电压极性会反转,从而允许 D1 向负载传导电流并为 COUT 充电。在 t2 时间内,D1 中的电流从峰值线性下降至零。一旦 T1 的储存能量耗尽,在 t3 期间的剩余时间内只会出现残余振铃。产生这种振铃的主要原因是 T1 的磁化电感以及 Q1、D1 和 T1 的寄生电容。这在 t3 期间的 Q1 漏极电压(该漏极电压从 VIN 加上反射输出电压下降回  VIN)中很容易看出, 因为一旦电流停止,T1 就无法支持电压。(注意:如果 t3 没有足够的死区时间, 则可能会在 CCM 下运行。)CIN 和 COUT 中的电流与 Q1 和 D1 中的电流相同,但没有直流失调电压。


图 2 中的阴影区域 A 和 B 突出显示了变压器在 t1 和 t2 期间的伏微秒积, 它们必须保持平衡才能防止饱和。区域 “A” 表示 (Vin/Nps) × t1, 而 “B” 表示 (Vout + Vd) × t2, 两者均以次级侧为基准。Np/Ns 是变压器初级/次级匝数比。


图 2. DCM 反激式转换器的关键电压和电流开关波形包括设计人员必须指定的几个关键参数。


表 1 详细说明了 DCM 相对于 CCM 的运行特性。DCM 的一个关键属性是,初级电感越低,占空比就越小,无论变压器的匝数比如何。此属性可用于限制设计的最大占空比。当您尝试使用特定的控制器,或保持在特定的导通或关断时间限制内时,这一点非常重要。较低的电感需要较低的平均储能(尽管峰值 FET 电流较高),这也往往使得变压器尺寸小于 CCM 设计所需的尺寸。


DCM 的另一个优点是,这种设计消除了标准整流器中的 D1 反向恢复损耗, 因为电流在 t2 结束时为零。反向恢复损耗通常表现为 Q1 中的耗散增加, 因此消除反向恢复损耗可降低开关晶体管上的应力。此方法的优势在输出电压较高的情况下变得越来越重要,因为整流器的反向恢复时间会随着额定电压较高的二极管的增加而延长。


表 1. 与 CCM 设计相比,

DCM 反激式设计既有优点, 也有缺点。


开发人员在开始设计时需要了解几个关键参数以及基本电气规格。首先选择开关频率 (fSW)、所需的最大工作占空比 (Dmax) 和估算的目标效率。然后, 方程式 1 按如下方式计算导通时间 t1:

方程式 1


接下来, 使用方程式 2 估算变压器的峰值初级电流 Ipk。对于方程式 2 中的 FET 导通电压  (Vds_on) 和电流检测电阻电压 (VRS), 假设一些适合您设计的小压降(如 0.5V)。您可以稍后更新这些压降。

方程式 2


方程式 3 会根据图 2 中的均衡区域 A 和 B 计算所需的变压器匝数比 Np/Ns:

方程式 3


其中 x 是 t3 所需的最短空闲时间(从 x = 0.2  开始)


如果您想更改 Np/Ns,请调整 Dmax 并再次迭代。


接下来,使用方程式 4 和方程式 5 计算 Q1 (Vds_max) 和 D1 (VPIV_max) 的最大“平顶”电压:

方程式 4

方程式 5


由于这些元件通常会因变压器漏电感而产生振铃, 因此根据经验,实际值应比方程式 4 和方程式 5 预测值高出10% 至30%。如果 Vds_max 高于预期,则减小 Dmax 会降低 Vds_max, 但 VPIV_max 会增加。确定哪个元件电压更为关键,并在必要时再次迭代。


使用方程式 6 计算 t1_max,该值应接近于方程式 1 中的值:

方程式 6


使用方程式 7 计算所需的最大初级侧电感:

方程式 7


如果所选电感比方程式 7 中所示的更低, 则根据需要进行迭代, 以增大 x 并减小 Dmax, 直到 Np/Ns 和 Lpri_max等于所需值为止。


现在可以计算方程式 7 中的 Dmax

方程式 8


并且可以分别使用方程式 9 和方程式 10 计算最大 Ipk 及其最大均方根 (RMS) 值:

方程式 9

方程式 10


根据所选控制器的电流检测输入最小电流限制阈值 Vcs( 方程式 11) 计算允许的最大电流检测电阻值:

方程式 11


使用方程式 11 中计算出的 Ipkmax 值和 RS 来验证方程式 2 中假设的 FET Vds 和检测电阻 VRS 的压降是否接近;如果明显不同,则再次迭代。


使用方程式 12 和方程式 13 计算 RS 的最大耗散功率,并根据方程式 10 计算 Q1 的导通损耗:

方程式 12

方程式 13


FET 开关损耗通常在 Vinmax 时最高,因此最好使用方程式 14 计算整个 VIN 范围内的 Q1 开关损耗:

方程式 14


其中 Qdrv 是 FET 总栅极电荷,Idrv 是预期的峰值栅极驱动电流。


方程式 15 和方程式 16 计算 FET 非线性 Coss 电容充电和放电产生的总功率损耗。方程式 15 中的被积函数应与实际 FET 的 Coss 数据表中 0V 至实际工作电压 Vds 之间的曲线密切吻合。在高压应用中或使用超低 RDS(on)FET(具有较大 Coss 值)时,Coss 损耗通常非常大。

方程式 15

方程式 16


可通过对方程式 13、方程式 14 和方程式 16 的结果求和来近似计算总 FET 损耗。


方程式 17 表明该设计中的二极管损耗将大大降低。务必选择一个额定次级峰值电流的二极管,该电流通常远大于 IOUT。

方程式 17


输出电容通常选择为方程式 18 或方程式 19 中的较大者,根据纹波电压和等效串联电阻(方程式 18)或负载瞬态响应(方程式 19)计算电容:

方程式 18

方程式 19


其中 ∆IOUT 是输出负载电流的变化,∆VOUT 是允许的输出电压偏移,fBW 是估算的转换器带宽。


方程式 20 计算输出电容器均方根电流为:

方程式 20


方程式 21 和方程式 22 估算输入电容器的参数为:

方程式 21

方程式 22


方程式 23、方程式 24 和方程式 25 总结了三个关键波形时间间隔及其关系:

方程式 23

方程式 24

方程式 25


如果需要额外的次级绕组,方程式 26 可轻松计算额外的绕组 Ns2:

方程式 26


其中 VOUT1 和 Ns1 是稳压输出电压。


变压器初级均方根电流与方程式 10 中的 FET 均方根电流相同;变压器次级均方根电流如方程式 27 所示。变压器磁芯必须能够处理 Ipk 而不会饱和。您还应考虑磁芯损耗,但这超出了本文的讨论范围。

方程式 27


结语


从提供的步骤中可以看出,DCM 反激式设计是一个迭代过程。最初的一些假设(如开关频率、电感或匝数比)可能会根据后来的计算(如功率耗散)而改变。但要不断尝试,尽可能频繁地执行设计步骤,以实现所需的设计参数。如果您愿意付出努力,优化的 DCM 反激式设计可以提供低功耗、紧凑型和低成本的解决方案,以满足电源转换器的需求。




点击阅读原文即刻阅读《电源设计小贴士集锦》开启电源设计新篇章!

德州仪器 德州仪器(TI)是全球最大的半导体设计与制造公司之一。我们将在这里为您分享TI最新的动态和技术创新。
评论 (0)
  • 网络流量中的微突发问题常常难以察觉,但它们可能对网络性能产生显著影响。这篇文章深入探讨了如何利用IOTA来捕捉和分析微突发,帮助您快速有效地解决网络中的突发流量问题。什么是微突发(Microburst)流量?微突发是指接口在极短时间(毫秒级别)内收到大量突发流量,以至于瞬时速率达到平均速率的数十倍、数百倍,甚至超过接口带宽的现象。网络流量通常使用链路的平均利用率来衡量,即5分钟的输入或输出率,单位为Mbps或Gbps。5分钟平均值,甚至1秒钟平均值通常都很平滑,显示了网络的稳定状态。如果以更细的
    艾体宝IT 2024-11-12 16:12 93浏览
  • 经过十多年的发展,平板电脑产业链已高度成熟,消费者换新需求趋于饱和,这使得平板电脑厂商面临巨大的增长挑战。一方面,消费者换新周期不断延长,平板电脑赛道进入增长疲软期。市场研究机构Canalys报告显示,平板电脑市场在经历连续增长后,2023年出现下滑,全年销量较2022年下降10%,总计达到1.353亿台。另一方面,平板电脑市场存量竞争阶段,厂商之间的火药味越来越浓厚。苹果、三星、华为、小米等厂商为了保持市场份额和盈利能力,纷纷加大对存量用户的争夺力度,此消彼长,竞争异常激烈。经过多轮赛跑,苹果
    刘旷 2024-11-13 10:28 70浏览
  • “随着AI时代的到来,汽车变得更像移动大脑。我们正以光子为媒介,成为AI大脑与终端用户(驾驶员、乘坐者和道路使用者)的链接者。”近日,艾迈斯欧司朗高级市场经理罗理在第12届中国硬科技产业链创新趋势峰会暨百家媒体论坛上指出,对于汽车照明的未来,除了业界普遍关心的成本问题,艾迈斯欧司朗更关注技术创新,以及如何解放设计师在造型上做更多创意设计、增加工程架构设计的可塑性,提供更多情感依托或媒介交互的选择。· LED, 智能驾驶中的光与智 ·通过艾迈斯欧司朗三大革命性创新产品,即EVI
    艾迈斯欧司朗 2024-11-12 18:40 128浏览
  • 要说近年来什么行业最“卷”,相信绝大多数人都会提名新能源汽车行业。事实也正是如此,伴随着消费者需求的提升、技术的持续迭代升级,新能源汽车正以前所未有之势迅速发展。为了在不断扩大的市场中获得更多的发展机会,新能源车企也都卯足了劲儿,新车连番推出,大有你方唱罢我登场之势。在多方因素的共同作用下,新能源车市也是一片火热。据中国汽车工业协会发布的数据显示,10月中国新能源汽车产销分别完成146.3万辆和143万辆,同比分别增长48%和49.6%,新能源汽车新车销量占汽车新车总销量的46.8%。理想L8卖
    刘旷 2024-11-14 10:39 19浏览
  • RISC-V 是一个基于精简指令集计算机(RISC)原则的开源指令集架构(ISA)。它由加州大学伯克利分校的研究团队开发,旨在提供一个简单、模块化和可扩展的指令集架构。RISC-V的设计目标是灵活性和可定制性,使其适用于从嵌入式系统到高性能计算的各种应用场景。 主要特点:开源:RISC-V是一个完全开源的指令集架构,任何人都可以免费使用和修改。 模块化:RISC-V的指令集架构分为多个模块,用户可以根据需求选择不同的模块组合。 可扩展:RISC-V支持用户自定义扩展指令集,以满足特定应
    逗徐坤 2024-11-13 13:26 78浏览
  • 使用W5500芯片接入到千兆交换机中就通讯失败,如果用百兆交换机中转一下就正常通讯,这到底是什么问题呢?是设置的事儿吗?一般来说,千兆(Gigabit)和百兆(Megabit)主要区别在于传输速率:千兆以太网(Gigabit Ethernet)的传输速率为1 Gbps(Gigabit per second),即1000 Mbps。百兆以太网(Fast Ethernet)的传输速率为100 Mbps。使用W5500芯片接入到千兆交换机中通讯失败,而通过百兆交换机中转后通讯正常,可能的原因包括:速率
    逗徐坤 2024-11-13 13:27 74浏览
  • 案例概况客户:Muller Martini AG,印刷加工行业专家应用产品:HK-MSR165加速度数据记录仪应用场景:在开发新型马鞍订书机的过程中,发现传感器出现了故障,使用HK-MSR165确定了故障原因01 应用背景用于新型马鞍装订机三刀式修剪器的边缘传感器在客户测试中出现故障。分析发现,传感器元件发生机械损坏,可能由振动引起。由于机器的动态运动,这一问题可能有多种原因,因此需要记录传感器的振动情况,尽可能准确地找出干扰源,以便得出正确结论,并快速验证所采取措施的有效性。经过搜索比较和与技
    宏集科技 2024-11-13 14:05 68浏览
  •        随着自动驾驶、车联网等技术突飞猛进的发展,汽车中包含的软件越来越多。如何保证这些软件的质量成了重中之重。经纬恒润拥有十几年的嵌入式软件开发及测试经验及经验丰富的软件测试团队,能够借助测试工具及设备给客户提供优质的静态测试服务。 ISO26262功能安全对于静态测试的要求       ISO26262中对于静态测试的要求涉及到软件编码规范,如类型强转/防御性编程、架构设计如各类度量元指标约束、及
    经纬恒润 2024-11-12 18:27 99浏览
  • 近日,德国巴伐利亚州副州长兼州经济、发展和能源部长Hubert Aiwanger先生率领一支由商界、科学界和政界精英组成的近40人代表团,展开了为期4天的中国之行。此次访问聚焦于探索智慧出行领域的最新动态与合作机遇,代表团先后走访了北京、广州和深圳这三座以创新出行闻名的城市。在繁忙的行程中,代表团特别安排于10月24日下午到访艾迈斯欧司朗佛山工厂。此举不仅表明德国巴伐利亚州政府对全球领先光学解决方案供应商艾迈斯欧司朗的关注与支持,也预示了双方未来深化合作的可能。作为行业领军者,艾迈斯欧司朗在其位
    艾迈斯欧司朗 2024-11-13 19:01 34浏览
  • 以下是一个完整的示例代码片段,展示了如何配置USART3并启用接收功能:#include "usart.h" #include "gpio.h" #include "interrupt.h" int main(void) {     // USART3 初始化     ustart(USART3, CRM_USART3_PERIPH_CLOCK, TRUE);     gpio_init(GPIOB, &
    丙丁先生 2024-11-14 08:11 38浏览
  • 一、前言在当前经济下行时期,越来越来多企业开始对产线进行数字化转型,提高企业竞争力。在产线数字化转型过程中,产线高阶能耗数据的计算和可视化是比较重要的一环,今天小编就和大家分享如何对产线能耗数据进行计算和可视化。二、关键挑战与对策1.能耗基础数据的采集面对现场设备类型以及通讯协议的多样性,宏集eX700M系列HMI支持200+通讯协议,包括OPC UA、Modbus、TCP、UDP、CAN、EtherCAT、Profinet,以及西门子、AB、欧姆龙、三菱、GE等主流PLC协议,提供各种协议的操
    宏集科技 2024-11-13 14:09 61浏览
  • 本文介绍在开源鸿蒙OpenHarmony 4.0系统下,去除锁屏开机后直接进入界面的方法,触觉智能Purple Pi OH鸿蒙开发板演示,搭载了瑞芯微RK3566芯片,类树莓派设计,Laval官方社区主荐,已适配全新OpenHarmony5.0 Release系统, 删除锁屏hap文件进入以下路径,将对应的锁屏hap删除:/ido_ohos_4.1r_sdk/applications/standard/hap删除ScreenLock相关配置进入以下路径,删除与锁屏相关的配置选项:/id
    Industio_触觉智能 2024-11-13 10:40 46浏览
  •        OpenDRIVE作为一种高度专业化的道路建模标准格式,采用XML数据语言构建,其核心优势在于能够精确且详尽地刻画道路网络的几何特征,包括但不限于车道宽度、曲率、坡度以及道路交叉口的复杂布局。它不仅涵盖了基础的道路元素,还深入到了交通基础设施的细节层面,如交通标志的位置与类型、交通信号灯的相位与时序、道路表面的材质与摩擦系数等,为自动驾驶算法和高级驾驶辅助系统(ADAS)提供了全面且精确的环境感知基础。     
    经纬恒润 2024-11-13 18:24 31浏览
  • 过去的半个世纪中,围绕着信息技术发展诞生了无数的概念,无数的期许。在短暂的冲击市场看客的荷尔蒙后,大多数新兴技术都面临向上难以突破,向下难以落地的困境。如果说消失在人声鼎沸时的新兴技术,失败的原因千奇百怪,那么改变世界的技术却有一条金科玉律般的共性——在天马行空的想象中,产生了实际的商业价值,创造出庞大的增量财富。这一次,轮到AI答卷了。  01 全球大模型的升维战争2024年,尤其是最近几个月以来,走在前沿的大模型玩家们,逐渐意识到“赚钱”的重要性。据媒体11月5日消息,
    锦缎研究院 2024-11-13 18:04 32浏览
  • 在使用USART3进行通信时,MCU只能发送数据而无法接收数据。这种情况可能由多种原因导致。以下是一些常见问题及其解决方法:引脚配置错误:确认USART3的TX和RX引脚是否正确配置为对应的功能模式。如果引脚配置不正确,可能会导致无法正常接收数据。中断未使能:确保USART3的接收中断已正确使能。在您的代码中,似乎有部分关于中断的代码被注释掉了。请取消注释并确保中断优先级设置正确。c复制代码// uart_interrupt_receive_enable(USART3, ENABLE);// u
    丙丁先生 2024-11-14 07:46 44浏览
我要评论
0
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦