用LM3488設計回掃開關電源供給器
回掃拓樸結構是設計多輸出分離開關電源及 48 伏輸進電信應用方案最常用的拓樸結構。下文先容如何利用高效率的 LM3488 低邊 N 通道電流模式控制器設計本錢低廉的斷續式回掃開關穩壓器。
回掃轉換器基本上是一種降壓/升壓轉換器。
單式電感器可以分為兩個并行連接的電感器，其線圈匝數為 1:1。分開之后，電感器的基本功能不會改變，而同一核心的兩個并行線圈相即是一個線圈。假如兩個線圈之間的連接中斷，晶體管導電時電流便流經 L1 線圈，但當二極管導電時電流便流經另一線圈 L2。
變壓器低級線圈上的點與次級線圈上的點恰好處于相反位置，從這個特征我們可以立即肯定所采用的是回掃拓樸結構。拓樸結構的最大題目是電感器兼變壓器的設計，由于這個電感器兼變壓器既負責儲存能量，也負責執行變壓器的功能。它與理論上的典型變壓器不同，電流不會同時流進兩個線圈。
產生磁化作用的低級線圈與原本的降壓/升壓轉換器的電感器都以同一方式產生電感。當晶體管導電時，來自直流電電源的電力會儲存在 L1。當二極管導電時，電力便會傳送到輸出電容器及負載。
斷續模式與連續模式的優劣比較
回掃轉換器有兩種不同的操縱模式，即斷續模式及連續模式。這兩個模式都有相同的電路圖。顯示變壓器低級線圈及次級線圈的電流波形。
若輸出電流進步至超過某一水平時，根據原本設計需采用斷續模式的電路會改用連續模式。
以斷續模式操縱時，啟動期間儲存在低級線圈的所有電能會在下一周期開始前全部傳送到次級線圈及負載。次級線圈的電流降至"0"而另一周期還未開始時的短短一瞬間也會出現一段空檔時間。以連續模式操縱時，每當另一周期開始時都會有部分電力保存在次級線圈內。
回掃轉換器可以采用任何一種模式操縱，但每一模式各有不同的功能特色。斷續模式的峰值電流較高，因此可以在開關封閉后輸出較高的尖峰電壓，但其負載瞬態響應則較快，低級電感也較低，因此變壓器的外型可以較小。由于輸進反向電壓之前的正向電流為"0"，因此二極管的反向恢復時間并非那么重要。此外，晶體管啟動時其集電極電流為"0"，有助減低斷續模式的電磁干擾噪音。至于連續模式，固然其峰值電流較低，令輸出的尖峰電壓也較低，但低功率應用方案也很少采用這種連續模式，由于轉換器轉換函數的右半平面為"0"，使帶寬不得不大幅壓縮，以穩定反饋環路。
電壓模式控制與電流模式控制的比較
電壓模式控制電路只采用一個反饋環路。采用該模式的脈沖寬度調制電路。圖中的振蕩器負責利用外置電容器的固定電流產生固定的鋸齒形三角波形 Vst。誤差放大器則負責比較輸出電壓的反饋與參考電壓，并根據比較結果產生誤差電壓 Ve。電壓比較器則負責比較 Ve 與 Vst。若 Vst 比誤差電壓 Ve 高，脈沖寬度調制輸出也會較高。
電壓模式控制功能不能控制輸出電流，因此負載瞬態必須通過輸出電壓的轉變感測出來，并利用反饋環路加以校正。電流模式控制功能的優點是可以控制同一電路的輸出電流及輸出電壓。只要改變功率晶體管的占空比，便可提供線路及電流瞬態響應。輸出電壓誤差 Ve 及鋸齒形波形 Vst 都可決定占空比的大小，而鋸齒形波形 Vst 則由外置傳感電流電阻器輸出電感電流而產生。由于電流模式控制功能除了可為每周期提供電流限幅之外，還可提供卓越的帶寬及瞬態響應，因此是較為理想的選擇。
基本操縱
采用 LM3488 的典型回掃轉換器設計， Vo1 是這個電路的主輸出，而 Vo2 與 Vo3 則是其從屬輸出。從屬輸出會隨著線路的轉變而調節，以確保電壓穩定，也會隨著負載的轉變而酌量調節，以確保電壓穩定。
Q 啟動時，Np 會產生固定電壓，而電流會按照線性的函數方式上升，其速率可用以下公式表達：
dI/dt = （Vin 1/Lp）
而 Lp 為低級線圈磁化電感
啟動完結時，低級線圈電流已上升到 Ip-peak=（Vin 1）Ton/Lp。在啟動 （Ton） 時，儲存在電感器的電力可用以下公式表達：
E:=｛L_｛p｝ （I_｛p-peak｝）｝︿｛2｝\over｛2｝
當 Q 封閉時，低級線圈的電感會將所有線圈的極性逆轉過來。
假設只有一個輸出，低級線圈的所有能量理論上應該會在封閉的一瞬間傳送到次級線圈。次級線圈的最高電流相即是 Is-peak = Ip-peak N，其中 N 是低級線圈與次級線圈之間的匝數比 （Np/Ns） 。
傳送到輸出的電功率為：
P:=｛E｝\over｛T｝=｛[（V_｛in｝-1） T_｛on｝]｝︿｛2｝\over｛2 T L_｛p｝｝
其中
T 是指相即是 1/開關頻率的時間
Ton 是指開啟時間
回掃環路將 Vin Ton 乘積固定在某一水平，以確保輸出電壓保持穩定。
變壓器設計
理論上，變壓器不應儲存能量，所有能量都會立即由低級線圈傳到次級線圈。
回掃變壓器可用作儲存能量的裝置。開關啟動之后，大部分能量都會儲存在變壓器的低級電感之中。開關封閉后，能量便會傳送到次級線圈以及輸出電容器與負載。能量儲存在核心的空氣間隙，若采用的是透磁合金粉核心，能量則儲存在核心之內。
電感變壓器在設計上應力求將泄漏電感、交流電線圈損耗及核心損耗減至最低。泄漏電感屬于不會與次級電感互相耦合的低級電感部分。由于泄漏電感一方面會減低變壓器的效率，而另一方面又會在開關芯片的漏極產生峰值，因此必須留意將泄漏電感減至最少。
高線圈損耗主要由趨膚效應所引起。頻率越高，電流便越傾向流向導電體的表面，因此在一般情況下都會采用編織線或薄片線圈。編織線通常用幾條細小的電線絞合而成，而幾條編織線可再絞合一起編織成更粗的絞合線。
核心的窗形口應開得越闊越好，以減少層數，使交流電線圈損耗及泄漏電感可以減至最低。內部設有空氣間隙的 E 類核心是產生低本錢及低泄漏電感的首選解決方案。
核心損耗取決于核心物料、開關頻率及電流擺幅。對于采用斷續導電設計而開關頻率超過 100 kHz 的回掃變壓器來說，鐵氧體 P 物料通常是首選物料，由于這種物料可以降低核心損耗。
工作頻率
LM3488 驅動器的工作頻率范圍較為廣闊，可在 100 kHz 至 1 MHz 的開關頻率范圍內工作。
我們為電源供給器選擇工作頻率時，應具體考慮開關損耗、變壓器總體損耗、磁性元件的外型大小、本錢以及輸出電容器等不同因素，力求各方面的優點都能充分發揮出來。
高開關頻率會降低輸出電容以及低級和次級線圈的電感，因此有助縮小變壓器的體積。
但高開關頻率也同樣會增加變壓器的損耗及開關器的開關損耗。高損耗會降低電源供給器的總體效率，以致需要加大散熱器才能散發積聚的大量熱能。
回掃轉換器基本上是一種降壓/升壓轉換器。
單式電感器可以分為兩個并行連接的電感器，其線圈匝數為 1:1。分開之后，電感器的基本功能不會改變，而同一核心的兩個并行線圈相即是一個線圈。假如兩個線圈之間的連接中斷，晶體管導電時電流便流經 L1 線圈，但當二極管導電時電流便流經另一線圈 L2。
變壓器低級線圈上的點與次級線圈上的點恰好處于相反位置，從這個特征我們可以立即肯定所采用的是回掃拓樸結構。拓樸結構的最大題目是電感器兼變壓器的設計，由于這個電感器兼變壓器既負責儲存能量，也負責執行變壓器的功能。它與理論上的典型變壓器不同，電流不會同時流進兩個線圈。
產生磁化作用的低級線圈與原本的降壓/升壓轉換器的電感器都以同一方式產生電感。當晶體管導電時，來自直流電電源的電力會儲存在 L1。當二極管導電時，電力便會傳送到輸出電容器及負載。
斷續模式與連續模式的優劣比較
回掃轉換器有兩種不同的操縱模式，即斷續模式及連續模式。這兩個模式都有相同的電路圖。顯示變壓器低級線圈及次級線圈的電流波形。
若輸出電流進步至超過某一水平時，根據原本設計需采用斷續模式的電路會改用連續模式。
以斷續模式操縱時，啟動期間儲存在低級線圈的所有電能會在下一周期開始前全部傳送到次級線圈及負載。次級線圈的電流降至"0"而另一周期還未開始時的短短一瞬間也會出現一段空檔時間。以連續模式操縱時，每當另一周期開始時都會有部分電力保存在次級線圈內。
回掃轉換器可以采用任何一種模式操縱，但每一模式各有不同的功能特色。斷續模式的峰值電流較高，因此可以在開關封閉后輸出較高的尖峰電壓，但其負載瞬態響應則較快，低級電感也較低，因此變壓器的外型可以較小。由于輸進反向電壓之前的正向電流為"0"，因此二極管的反向恢復時間并非那么重要。此外，晶體管啟動時其集電極電流為"0"，有助減低斷續模式的電磁干擾噪音。至于連續模式，固然其峰值電流較低，令輸出的尖峰電壓也較低，但低功率應用方案也很少采用這種連續模式，由于轉換器轉換函數的右半平面為"0"，使帶寬不得不大幅壓縮，以穩定反饋環路。
電壓模式控制與電流模式控制的比較
電壓模式控制電路只采用一個反饋環路。采用該模式的脈沖寬度調制電路。圖中的振蕩器負責利用外置電容器的固定電流產生固定的鋸齒形三角波形 Vst。誤差放大器則負責比較輸出電壓的反饋與參考電壓，并根據比較結果產生誤差電壓 Ve。電壓比較器則負責比較 Ve 與 Vst。若 Vst 比誤差電壓 Ve 高，脈沖寬度調制輸出也會較高。
電壓模式控制功能不能控制輸出電流，因此負載瞬態必須通過輸出電壓的轉變感測出來，并利用反饋環路加以校正。電流模式控制功能的優點是可以控制同一電路的輸出電流及輸出電壓。只要改變功率晶體管的占空比，便可提供線路及電流瞬態響應。輸出電壓誤差 Ve 及鋸齒形波形 Vst 都可決定占空比的大小，而鋸齒形波形 Vst 則由外置傳感電流電阻器輸出電感電流而產生。由于電流模式控制功能除了可為每周期提供電流限幅之外，還可提供卓越的帶寬及瞬態響應，因此是較為理想的選擇。
基本操縱
采用 LM3488 的典型回掃轉換器設計， Vo1 是這個電路的主輸出，而 Vo2 與 Vo3 則是其從屬輸出。從屬輸出會隨著線路的轉變而調節，以確保電壓穩定，也會隨著負載的轉變而酌量調節，以確保電壓穩定。
Q 啟動時，Np 會產生固定電壓，而電流會按照線性的函數方式上升，其速率可用以下公式表達：
dI/dt = （Vin 1/Lp）
而 Lp 為低級線圈磁化電感
啟動完結時，低級線圈電流已上升到 Ip-peak=（Vin 1）Ton/Lp。在啟動 （Ton） 時，儲存在電感器的電力可用以下公式表達：
E:=｛L_｛p｝ （I_｛p-peak｝）｝︿｛2｝\over｛2｝
當 Q 封閉時，低級線圈的電感會將所有線圈的極性逆轉過來。
假設只有一個輸出，低級線圈的所有能量理論上應該會在封閉的一瞬間傳送到次級線圈。次級線圈的最高電流相即是 Is-peak = Ip-peak N，其中 N 是低級線圈與次級線圈之間的匝數比 （Np/Ns） 。
傳送到輸出的電功率為：
P:=｛E｝\over｛T｝=｛[（V_｛in｝-1） T_｛on｝]｝︿｛2｝\over｛2 T L_｛p｝｝
其中
T 是指相即是 1/開關頻率的時間
Ton 是指開啟時間
回掃環路將 Vin Ton 乘積固定在某一水平，以確保輸出電壓保持穩定。
變壓器設計
理論上，變壓器不應儲存能量，所有能量都會立即由低級線圈傳到次級線圈。
回掃變壓器可用作儲存能量的裝置。開關啟動之后，大部分能量都會儲存在變壓器的低級電感之中。開關封閉后，能量便會傳送到次級線圈以及輸出電容器與負載。能量儲存在核心的空氣間隙，若采用的是透磁合金粉核心，能量則儲存在核心之內。
電感變壓器在設計上應力求將泄漏電感、交流電線圈損耗及核心損耗減至最低。泄漏電感屬于不會與次級電感互相耦合的低級電感部分。由于泄漏電感一方面會減低變壓器的效率，而另一方面又會在開關芯片的漏極產生峰值，因此必須留意將泄漏電感減至最少。
高線圈損耗主要由趨膚效應所引起。頻率越高，電流便越傾向流向導電體的表面，因此在一般情況下都會采用編織線或薄片線圈。編織線通常用幾條細小的電線絞合而成，而幾條編織線可再絞合一起編織成更粗的絞合線。
核心的窗形口應開得越闊越好，以減少層數，使交流電線圈損耗及泄漏電感可以減至最低。內部設有空氣間隙的 E 類核心是產生低本錢及低泄漏電感的首選解決方案。
核心損耗取決于核心物料、開關頻率及電流擺幅。對于采用斷續導電設計而開關頻率超過 100 kHz 的回掃變壓器來說，鐵氧體 P 物料通常是首選物料，由于這種物料可以降低核心損耗。
工作頻率
LM3488 驅動器的工作頻率范圍較為廣闊，可在 100 kHz 至 1 MHz 的開關頻率范圍內工作。
我們為電源供給器選擇工作頻率時，應具體考慮開關損耗、變壓器總體損耗、磁性元件的外型大小、本錢以及輸出電容器等不同因素，力求各方面的優點都能充分發揮出來。
高開關頻率會降低輸出電容以及低級和次級線圈的電感，因此有助縮小變壓器的體積。
但高開關頻率也同樣會增加變壓器的損耗及開關器的開關損耗。高損耗會降低電源供給器的總體效率，以致需要加大散熱器才能散發積聚的大量熱能。
| 【上一個】 數字化開關電源設計 | 【下一個】 自動化通訊系統在全分布式變電站中的實現 |