在上期中，我們探討了有源EMI濾波器是縮小汽車電源、降低成本的先進解決方案。

本期，為大家?guī)淼氖恰秲?yōu)化放大器電路中的輸入和輸出瞬態(tài)穩(wěn)定時間》，將討論如何利用死區(qū)時間內(nèi)的磁通量衰減效應(yīng)，來有效防止推挽式轉(zhuǎn)換器中的變壓器飽和問題。

引言

推挽式轉(zhuǎn)換器已成為一種常用拓撲，用于構(gòu)建 1W 至10W 范圍內(nèi)的隔離式電源。此拓撲可與數(shù)字隔離器、隔離式放大器、隔離式模數(shù)轉(zhuǎn)換器、隔離式接口（例如隔離式控制器局域網(wǎng)和隔離式 RS-485）以及隔離式柵極驅(qū)動器進行配對。請參閱圖 1。

圖 1：推挽式轉(zhuǎn)換器

推挽式轉(zhuǎn)換器的普及源于其操作簡單、電磁輻射低、峰值電流低、效率高、抗擾度高和系統(tǒng)成本低。只需使用以下幾種分立式元件即可設(shè)計具有推挽式拓撲的隔離式電源軌：兩個電源開關(guān)、一個中心抽頭變壓器和一些整流器二極管。這是一種前饋拓撲，不需要基于光耦合器的反饋，因此不存在環(huán)路穩(wěn)定性問題。

盡管推挽式轉(zhuǎn)換器有許多優(yōu)點，但存在一個大問題，即可能發(fā)生變壓器飽和。這種轉(zhuǎn)換器依靠兩個運行相位之間的良好匹配來避免變壓器鐵芯中出現(xiàn)磁通量累積。變壓器飽和會導(dǎo)致初級電流呈指數(shù)級增長，從而造成輸入電源崩潰甚至損壞轉(zhuǎn)換器。本文介紹了可能導(dǎo)致推挽式轉(zhuǎn)換器中變壓器飽和的情況，以及能夠減輕或防止變壓器飽和的參數(shù)。

推挽式轉(zhuǎn)換器的基本工作原理

在圖 1 所示的推挽式轉(zhuǎn)換器中，場效應(yīng)晶體管 (FET)Q1 和 Q2 設(shè)計為驅(qū)動強度相等，并在交替周期中具有相同的導(dǎo)通時間 (T)。兩個初級繞組采用特定纏繞方式，使 Q1 導(dǎo)通產(chǎn)生的磁通量與 Q2 導(dǎo)通產(chǎn)生的磁通量完全相等且方向相反。每個相位中的磁通量累積 (?B) 與變壓器初級兩端施加的電壓 (V) 和施加電壓的時間 T成正比。在所有元件完全匹配的情況下，變壓器鐵芯中的磁通量通過零點四周的兩個象限，如圖 2 所示。兩個相位中的磁通量完全抵消，因此，轉(zhuǎn)換器能夠在穩(wěn)定狀態(tài)下運行，沒有連續(xù)的磁通量累積。磁化電流 (Im) 會相應(yīng)地在零點四周以三角波擺動。

圖 2：變壓器中的磁通量以及 Im

失配的影響

如果兩個運行相位之間存在失配問題（例如，如果施加的電壓不同或持續(xù)時間不同），一個周期中變壓器中積累的磁通量在另一個周期中不會完全被抵消。這種狀況會在一個完整的運行周期后留下輕微的殘余磁通量，這些磁通量隨著時間的推移會慢慢增加，最終使變壓器進入飽和區(qū)。請參見圖 3。根據(jù)失配的極性，Im會在正區(qū)域或負區(qū)域中累積。在飽和區(qū)，通過變壓器初級繞組的電流會急劇增加，可能對變壓器和驅(qū)動器晶體管造成災(zāi)難性損壞。

圖 3：失配引起的磁通量增加和 Im上升

對適配問題進行補償

實際可行的推挽式轉(zhuǎn)換器總是存在適配問題。隨著時間的推移，即使是最小的失配也會導(dǎo)致磁通量大量累積。這是否意味著推挽式轉(zhuǎn)換器將始終飽和？不是。

Q1 和 Q2 導(dǎo)通電阻 (RON) 的負反饋、限流以及 Im在死區(qū)時間內(nèi)傳輸?shù)截撦d都有助于防止變壓器飽和。接下來將介紹這些技術(shù)的使用以及相應(yīng)效果。

FET RON 的負反饋

如圖 3 所示，在磁通不平衡的情況下，一個相位中的 Im高于另一個相位中的相應(yīng)值。電流較大的相位會在功率FET 中出現(xiàn)較高的壓降，因此在該相位下對變壓器兩端施加較低的電壓。在該相位累積的磁通量較少，因此會減小 Im。如果轉(zhuǎn)換器中的失配很小，該負反饋足以使轉(zhuǎn)換器保持穩(wěn)定平衡。

但是，根據(jù) FET RON 和 Im 的值，該負反饋可能無法補償轉(zhuǎn)換器失配的影響。例如，如果輸入電壓 (VIN) 為5V，峰值 Im為 100mA，且 FET RON為 1Ω，則 FET RON可提供的最大負反饋為 100mA × 1Ω = 100mV，相對于 5V 的超出百分比為 2%。也就是說，F(xiàn)ET RON能夠補償高達 2% 的失配（例如，由兩個相位之間的導(dǎo)通時間不匹配引起的失配問題）。在大多數(shù)情況下，這 2%的補償足以防止飽和。但是，如果 FET RON僅為0.25Ω，則負反饋只能補償 0.5% 的失配，這一數(shù)值可能不足以始終防止飽和。

這種近似分析有助于了解 FET 電阻的負反饋所能補償?shù)氖涑潭?。對?FET RON設(shè)計得很低以便降低傳導(dǎo)損耗的大功率轉(zhuǎn)換器，F(xiàn)ET 電阻的負反饋可能不足以防止變壓器飽和。

限流

另一種防止飽和的技術(shù)是逐周期限流，它可以監(jiān)控每個周期中通過 FET 的電流。如果電流超過安全限值（通常設(shè)置為工作電流范圍的兩到三倍），則該周期將終止。雖然限流可作為一種可靠的安全措施，但這種方法會導(dǎo)致更高的整體 I2R 功率損耗，因為轉(zhuǎn)換器中的峰值電流被允許上升到高于要求的值。輕載條件下對效率的影響更大，在這種情況下，無負載電流意味著 Im必須大幅增加到更高的值才能達到電流限值。圖 4 所示為限流對 Im的影響，該電流不能超過設(shè)定的電流限值。

圖 4：限流可防止 Im累積到不安全水平

死區(qū)時間對推挽式變換器中變壓器飽和的影響

為了防止擊穿電流，推挽式轉(zhuǎn)換器在兩個相位之間總是存在一定的死區(qū)時間。在死區(qū)時間內(nèi)，F(xiàn)ET Q1 和 Q2 都關(guān)斷。死區(qū)時間在防止變壓器飽和方面的有利效果如下所述。

在圖 5 中，磁化電感建模為 Lm。流經(jīng) Lm的電流為Im。FET Q1 和 Q2 在死區(qū)時間內(nèi)均關(guān)斷，因此 Im 會升高 Q1 或 Q2 的漏極電壓，從而使 Diode1 或 Diode2正向偏置。電流路徑取決于死區(qū)時間開始時 Im的極性。變壓器鐵芯兩端將出現(xiàn)次級側(cè)電壓，從而使鐵芯磁通量衰減。換句話說，Im在死區(qū)時間內(nèi)流經(jīng)次級側(cè)二極管Diode1 或 Diode2 時以某種方式發(fā)生衰減。當(dāng) Im（因此鐵芯磁通量）達到零時，流經(jīng)次級二極管的電流將停止。

圖 5.Im流經(jīng)二極管時衰減

如果總死區(qū)時間占導(dǎo)通時間 T 的百分比大于兩個相位之間磁通量失配的百分比，則磁通量在死區(qū)時間內(nèi)將始終衰減為零。推挽式轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在在一個象限內(nèi)工作，如圖 6 所示。如果穩(wěn)定狀態(tài)下在一個相位中產(chǎn)生的磁通量(ΔB1) 比另一個相位中產(chǎn)生的磁通量 (ΔB2) 更高，從而在整個周期結(jié)束時產(chǎn)生凈的正 Im，那么該正 Im在死區(qū)時間內(nèi)流經(jīng)次級二極管時會發(fā)生衰減（?B3和 ?B4），直到磁通量和 Im降至零。如圖 6 所示，Im不會無限期累積，而是會達到穩(wěn)定狀態(tài)，并保持正值。同樣，如果失配在兩個相位結(jié)束時導(dǎo)致凈負 Im，Im將以凈負 Im達到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖 6.盡管存在失配，但磁通量和 Im仍保持穩(wěn)定， 并在死區(qū)時間 (DT) 內(nèi)衰減至零

器件測量結(jié)果

我們通過測試模式特意在兩個相位之間添加了時序失配，測試了死區(qū)時間對 SN6505B 推挽式轉(zhuǎn)換器的影響。在沒有失配的情況下，每個相位的導(dǎo)通時間為 625ns。添加失配以使兩個導(dǎo)通時間（T1 和 T2）一直偏斜至540ns 和 710ns，總計失配為 170ns。然后，觀察開關(guān)節(jié)點上的電源轉(zhuǎn)換器效率和過沖，找出變壓器飽和的跡象。Im 的突然增加將表現(xiàn)為電源轉(zhuǎn)換器效率和過沖的拐點。

SN6505B 每個時鐘周期的總內(nèi)置死區(qū)時間為 160ns，即每個導(dǎo)通時間后的死區(qū)時間為 80ns。圖 7 展示了當(dāng)相位之間的失配從 90ns 增加到 170ns 時轉(zhuǎn)換器效率與負載電流間的關(guān)系。圖 8 以圖形方式顯示了150ns、160ns 和 170ns 三個失配值的開關(guān)節(jié)點（Q1 和Q2 的漏極）。如這兩個圖所示，轉(zhuǎn)換器的效率曲線以及開關(guān)節(jié)點上的過沖在失配約為 150ns 至 160ns 時顯示出拐點，這個時間接近于 SN6505B 和 Im中的總死區(qū)時間。這些測量結(jié)果對上一部分中的分析形成支持，并證明低于死區(qū)時間的失配（以導(dǎo)通時間的百分比表示）不會使推挽式轉(zhuǎn)換器飽和。

圖 7.不同導(dǎo)通時間 T1 和 T2 值下的效率與負載電流間的關(guān)系

圖 8.不同導(dǎo)通時間 T1 和 T2 值下的開關(guān)節(jié)點過沖

這些結(jié)果還表明，SN6505B 能夠保持穩(wěn)定，即使在特意添加 10% 到 12% 失配的情況下也不會飽和。該百分比要比推挽式轉(zhuǎn)換器中通常存在的失配值（2% 至 3%）高得多。為了進一步提供保護，SN6505B 還具有內(nèi)置電流限制功能。

結(jié)論

死區(qū)時間內(nèi)次級二極管中的磁通量衰減對于防止飽和非常有效。只要失配低于死區(qū)時間（采用百分比形式），就有可能防止變壓器飽和。使用SN6505B 設(shè)計的隔離式電源不會飽和，因此在存在較大失配時仍能保持穩(wěn)定。