抽头式电感器提高离线降压转换器的性能

简单的降压转换器对于低功率电源非常有用，且性价比高，适用于输入至输出隔离非必需的应用。而在离线主电源中，由于转换器输出电压较低，输入至输出电压差过高，增加了降压转换器中的峰值-平均电流比，导致电源元件工作的占空比极低，并通常会降低能效和电路性能。本文介绍一种解决方案，即利用抽头式降压输出扼流圈来解决这些问题。

降压转换器工作

图1所示为300mA、12V输出电压(功率3.6W)的传统离线降压转换器。该转换器采用了安森美半导体的集成MOSFET的NCP1014单片电流模式控制器，使电路最简洁；当然，也可以采用分立控制器NCP1216和一个独立的MOSFET来配置。稳压和反馈由齐纳二极管Z1、相关电阻R2和R3及光耦合器U2所构成的简单网络来达成。需要光耦合器是因为NCP1014控制器的接地位于开关节点，而光反馈是克服相关的dV/dt和其他类型分立反馈和/或电压偏置电路相关高压问题的最简单、最经济方法。这个电路图还包括一个简单的传导型电磁干扰(EMI)滤波器，含C1、C2、L1和C3构成的π网络。

图1离线降压转换器带传统电感

如同典型的降压工作，大电容C3两端的离线电压为U1的内部MOSFET漏极(引脚3)提供直流电平，MOSFET的源极(引脚4)会控制直流电平的开和关，并提供给由电感L2和电容C4组成的滤波器。这个由电感L2和电容C4组成的L/C输出滤波器通过由Z1/U2组成的电压感测/反馈电路和U1中的脉宽调制(PWM)，将开关矩阵波形均化为C4所需的直流输出电压。当U1中的MOSFET处于关断状态时，续流二极管D5为L2续流。

降压转换器的直流输出电压由Vout=D×Vin所确定。其中，D是L2输入提供的矩形波的占空比(MOSFET导通时间除以总开关周期T)；Vin是提供给降压开关电路的直流电压。对于120Vac额定输入和12Vac输出而言，我们能够轻松地计算出内部MOSFET开关的所需占空比D。

D=Vout/(Vinac×1.4)=12/(120×1.4)=0.07

对100kHz的开关频率(T=10μs)而言，这个占空比非常小，相当于0.07×10μS=0.7μS的导通时间。这样短的导通时间实际上不比控制器的内部传播延迟长多少，并没给因负载改变的脉宽动态范围多少余量，且当负载电压降至使L2电流不连续时，自然会导致子开关(sub-switching)进入频率脉冲跳周期工作模式。这个模式工作也许可行，只要电源的输出纹波不是太高和/或电感中没有可听噪声。

在低占空比模式下，还需要提高主输出扼流圈L2的电感，以避免在最低额定输出负载时出现非连续导电模式(DCM) 。电感设计也与MOSFET的峰值-平均电流比有关。流经内部MOSFET U1的峰值电流是输出负载电流和L2的磁化电流之和。在额定线路条件(C3上165Vdc)下，开关周期末期的峰值磁化电流由E=L×dI/dt这个关系等式所确定。整理这个等式可得到：dI=(E×dt)/L。本例中的磁化电流就为：

dI=[(Vindc-Vout)×dt]/L=[(165-12)×0.7]/750μH=0.143A

峰值MOSFET电流将是：300mA(最大负载电流)+143mA=443mA

假定没有容限变化，NCP1014的额定规定过流脱扣(overcurrent trip)电平是450mA。因此，这里的问题就是我们怎样才能避免上述低占空比问题，并能使用相同的半导体器件，做最少的电路变更而从这个降压转换器获得尽可能大的输出电流。

解决方案

图2  离线降压稳压器采用抽头式电感和电流升流输出

只要做出修改，便能解决与低占空比相关的问题。从图2所示的抽头式电感降压转换器电路图可见，它还能提供更大的输出电流。从输出端将电感抽头在25%并在这个节点连接续流二极管，我们可将MOSFET新的占空比提高至接近D’=0.24或2.4μs，而输出电流可增加大约3倍至近1A。扩展后的占空比D’和峰值电流升流效应Iboost之间的关系如下。

D’=(N+1)/[N+(Vindc/Vout)]

其中，N是抽头任意端两个绕组的匝数比。在本例中，左端或抽头输入端的绕组拥有3倍于输出或抽头续流端绕组的匝数。峰值电流升流能力由下面的公式确定。

Iboost=(N+1)/[(N×Vout/Vindc)+1]

直流电压输出至输出转换等式这时候变为：

Vout=Vindc/{[(N+1)/D]-N}

这种解决方案的可行性

电感中的电流必须连续的这种说法是不正确的。事实上，电感的电流I与匝数N的乘积却是必须连续的，也就是说，NI的值在整个开关周期T内都必须保持恒定。在抽头式电感中，MOSFET导通时的N为全部的电感匝数。但是，当MOSFET关断时，绕组输出端的电流必须迅速增加至峰值电平，即导通电流的4倍，因为输出或续流二极管的匝数只是整个绕组匝数的1/4。这个转变的典型电流波形如图3所示。图中，MOSFET导通