振盪線圈變換器

振盪線圈變換器(Ringing Choke Converter,縮寫為:RCC), 是一種適合小功率離線直流輸出的開關電源

歷史

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據傳,振盪線圈變換器是在開關電源的概念出現之後,由日本的電子工程師發明,並在日本大量生產。由於日本工業界的封閉,具體的發明者目前難於考證。RCC曾經受到台灣中國大陸企業的大量仿製,至今(2008年)仍然在中國大陸大量製造。

由於集成電路的豐足取消了對RCC的需要,以及RCC並不適合歐美的規模化生產方式,歐美電子業從來沒有長期大量生產RCC電源。

典型結構和原理

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RCC的基本結構是反激變換器。它工作在介於連續電流模式和非連續電流模式之間的臨界模式。 RCC由一個主開關電晶體、一個變壓器和一些電阻電容二極管組成,並不包含集成晶片。不包含集成晶片,使得RCC的成本較採用集成晶片的電源電路為低。但隨着集成電路晶片的降價(如今一個晶片的價格僅為人民幣0.5元左右),RCC的成本優勢已經非常弱。


主開關電晶體

傳統的RCC一般來說採用雙極性電晶體(BJT)作為開關管。較新的設計採用了金屬氧化物半導體場效應管(MOSFET),以實現更低功耗以及准諧振等功能。

變壓器

RCC RCC的功率部分如同普通的反激變換器一樣操作。信號和控制部分原理如下:

1.當加入輸入電壓Vin(電阻RG連接Tr1的基極),電流Ib流過Rb,Tr1導通,此Ib為啟動電流。Tr1的collector電流Ic波形如圖,一般從0開始。

2.Tr1一旦進入ON狀態,transformer的P1線圈已加入輸入電壓Vin,因此P2線圈形成的電壓為Tr1提供了基極電流,使得Tr1可以保持導通。

3.Tr1的集電極電流成斜坡狀上升,直到電流為βIb,此時基極電流無法維持Tr1電晶體飽和導通,電晶體集電極--發射極之間的電壓上升。而這裏的電壓上升使得變壓器Np上的輸入電壓下降,更導致Ib下降。於是形成了正反饋,使得Tr1最終關閉。

4.Tr1關閉後如同其他反激變換器一樣,儲存在變壓器內部的能量流到次級電容里,為負載供電。在變壓器內部能量未釋放完時,基極一直被次級反射來的負電壓下拉,電晶體保持關閉。變壓器內部能量釋放完畢後,電路工作狀態轉入第1步,形成周期性循環。

5.如果在集電極有較大電流時使用其他方法導致基極電流不足,也可以觸發正反饋機制關斷電晶體Tr1。這一特點常用於實現電流限制和穩壓。(即在電流或電壓過大時減小占空比或禁止電晶體開通)

限流、穩壓原理

 

基本的RCC電路天然有着限制峰值電流的特徵。由於基極電阻的限流作用,基極電流無法超過Vin/Np*Nb/Rb,從而讓集電極電流在超過βIb時觸發正反饋關斷機制。 實際應用中,這種限流是不準確的,因為電晶體的β離散性很大(同種型號電晶體β可以相差4倍),並且輸入電壓Vin不固定。實際採取的大多是電流檢測電阻+NPN電晶體對基極分流的方法。圖中的R3是電流檢測電阻,當它上面的電壓加上1N4148的導通壓降(約0.8V)超過8050的導通電壓時,8050導通,拉出基極電流,使得基極欠流,觸發正反饋機制從而關斷。

RCC的穩壓是通過基極繞組的反激電壓實現的。當電晶體關斷,基極繞組異名端反接的的電容C2充電。C2的電壓和C3的電壓成比例Nb/Ns。當C2的電壓超過了穩壓管D8的齊納電壓,C2就流出電流,把基極電壓拉低,阻止或減緩電晶體導通,從而間接控制了C3上的輸出電壓。

RCC電路的不穩定性

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目前被普遍認識的是RCC電路對元件布線生產工藝要求很高。使用劣質元件、水準不高的布板、變壓器繞制不恰當都可能導致RCC電路無法工作,或在正常工作一段時間後失效。常見失效模式包括但不限於:

漏感導致的二次擊穿 RCC最常見也最典型的失效現象是主開關管燒毀。大部分此類故障是由變壓器基極線圈漏感導致的。 變壓器基極線圈的漏感和基極串聯的電阻形成LR低通濾波電路,對電流信號有延遲作用,導致在集電極電壓上升時,基極電流減小的正反饋出現延遲。而這樣的延遲對於絕大部分雙極型開關管是致命的,它導致電晶體越出安全工作區,以及發熱量過大,最終導致不可逆的二次擊穿

此類故障較少出現在使用功率MOSFET製作的RCC上,因為功率MOSFET的安全工作區遠大於雙極型電晶體。並且功率MOSFET為電壓控制型,開通/關斷閾值範圍窄,MOSFET較為不易出現同時承受大電流和高電壓的情況,即使偶爾出現也不會發生不可逆的失效。 曾經有一批基於MOSFET的RCC電源常常因開關管損壞而失效,經查證,是因為廠家技術考慮不周,機械模仿110V地區產品,在220V交流線路(整流後電壓高達311V)上,使用了耐壓500V的MOSFET(型號是IRF840)。

輸出電壓不穩,損壞用電器

另一常見的問題是輸出電壓明顯超過設計輸出電壓,導致負載過熱、燒毀。特別是當負載為鋰離子電池時,輸出過高電壓極端危險,可能導致電池內部氣體液體泄漏甚至爆炸。 原因一是變壓器繞組間不完全耦合,存在漏感,導致互調整率差。在變換器處於輕載狀態,占空比小的時候,此問題更加嚴重。二是和集成晶片中包含的運算放大器(放大倍數高達數百倍、數千倍)相比,電壓環路開環增益太小,精確穩壓困難。

並且這兩個缺點幾乎是不可能同時妥善解決的。解決二次擊穿問題要求基極線圈和主線圈近繞以保持耦合良好,而解決輸出電壓不穩的問題要求次級線圈和基極線圈近繞,又要求初次級之間數千伏的電氣隔離。在有限繞線位置的變壓器骨架下,要達到這兩個矛盾的目的,十分困難。

參考資料

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