温故而知新--完算自激RCC拓扑！

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1. 引言
自激式反激变换器，通常称为RCC 电路（ringing choke converter），出现在稳压电源IC 之前，可实现最简单的开关稳压器。基于RCC 方式的开关稳压器不需要外部时钟，通过变压器和开关晶体管就可实现振荡功能，只需少数分立器件就可以获得专用芯片才能实现的输出性能，通过良好的设计可获得高效可靠的工作。

RCC 变换器总是工作于边界连续状态(DCM/CCM),采用峰值电流控制模式。由于要维持其边界连续模式，并且原边电流上升斜率受输入电压影响，因此工作频率和占空比均受输入电压和输出电流的控制，在高输入电压和轻载时频率较高。

2. 电路工作原理分析

RCC 方式的本质即为反激变换器，图1 给出实际应用最多的RCC 方式的基本电路图。为简化稳态分析，可做如下近似：

（1）、忽略变压器漏感对主管Q1的集射极电压VCE的影响，实际使用时需要RCD 箝位；
（2）、主电路输出电容足够大，输出绕组电压箝位于输出电压VO；
（3）、稳态时电容C3上的电压保持不变；
（4）、稳态时电阻Rg的作用可以忽略。


下面分析其工作过程
2.1 电路的起动

接通输入电源VIN后，电流ig通过电阻Rg流向开关晶体管Q1的基极，Q1导通，ig称为起动电流。在RCC 方式中，晶体管Q1的集电极IC必然由零开始逐渐增加，因此ig 应尽量小一点。
2.2 开关晶体管处于ON 状态时


一旦Q1进入ON 状态，输入电压VIN将加在变压器的初级绕组NP上。由匝比可知，基极线圈NB上产生的电压为 VB = (VB/ NP )VIN ，该电压与Q1导通极性相同，为正反馈电压，其作用是使开关晶体管进一步迅速导通。因此VB将维持Q1的导通状态，此时基极电流IB是连续的稳定电流:


（忽略RS上的压降，下同）。

此时变压器二次绕组上感应电压为反向电压，整流二极管D2截止，二次绕组中无电流通过。若一次绕组电感为LP ,导通时间为t ，Q1集电极电流IC线性增长，IC=VIN ∗t/ LP。

随着IC的增加，当IC ≥ IB∗ hFE时，晶体管退出饱和状态，VCE随之增大，变压器一次绕组电压下降，反馈绕组感应电压下降，基极电流IB进一步减小，基极电流不足，开关管迅速截止。
2.3 开关晶体管处于OFF 状态时


晶体管从导通到截止瞬间，根据磁通连续性定理，磁场的方向和大小都保持不变，因此，要与一次绕组中流经的电流保持同样的安匝数，二次绕组电压反向，使二极管导通，由等式I1P∗NP=I2P∗NS知导通瞬间电流 I2P=I1P∗NP/NS。

设输出电压VO，整流二极管压降VD2， 二次绕组电感LS， 则二次绕组电压VS=VO+VD2，二极管电流以VS/LS的速率下降，同时变压器电感中储存的能量供给输出端。
2.4 开关管再次导通


变压器中的能量全部转移到输出端，则整流二极管D2的电流变为0 截止，此瞬间变压器各绕组电压也变为0，启动电阻Rg中部分电流变为开关管基极电流，在正反馈作用下再次导通。
2.5 稳压原理


RCC 电路是一种非固定周期的开关电源，它不是由占空比连续变化的PWM 控制信号
来驱动。当输出电压超过额定值时，开关管提前关断，I1P峰值电流减小，反激变压器储能下降，变换器输出电压降低；当输出电压低于额定时，开关管延迟关断，I1P峰值电流升高，变压器储能增加，变换器输出电压上升，完成输出稳压调整过程。

要使晶体管关断，只要使基极的驱动电流不足即可（相对于集电极电流而言），因此，可以用稳压管DZ来分流。DZ的阳极与电容器C3的阴极相连。在Q1 OFF期间，NB线圈通过导通的D3为C3充电，C3的电压变为负电压，DZ的齐纳电压VZ为：VZ =VC +VBE，如果输出电压上升，C3的端电压VC也随输出电压VO成正比上升，于是齐纳二极管DZ导通，驱动电流从它所形成的旁路流过，进而使Q1 OFF。此间NB线圈和NS 线圈的电压值分别与匝数成正比,即:

反之也可改变VC使VO随之改变。因此由VZ、NS/NB即可确定输出电压VO。即输出电压为:




若忽略VBE、VD2 和VD3，则VO与VZ成正比，且输出电压的精度由电压VZ的精度确定。

3. RCC 电路设计方法
RCC 电路的设计包括功率主电路设计和控制电路的设计。下面结合一24V/3A 的电源实例说明其设计步骤。
主要技术参数：
（1）输入电压AC:220V± 10%，频率：50Hz；
（2）输出：电压24V，电流3A；
（3）稳压精度：5%；(4)工作效率>75% 。
3.1 变压器参数计算

设计中按最低输入电压、最大输出电流计算，此时振荡频率最低，取为50k，占空比D=0.4。
最低输入直流电压：



变压器电感及匝数的计算：


NP线圈的电感LP为：


次级线圈电压：


由变压器的伏秒平衡可得：


从而得到匝数比：


由于动作频率较低且输出功率很低，故采用的磁芯为TDK 生产的材质为H3S的EI40。一次线圈匝数：


二次线圈匝数：

基极绕组匝数NB：设最低输入电压VB=6V，

变压器间隙：


实际的间隙纸板厚度为Ig的一半，即为0.21mm。
3.2 稳压电路的设计
首先，当Q1处于OFF 时，线圈NB的电压VB'为




作为电压控制用的齐纳二极管DZ两端的电压VZ为:


由于变压器本身也有压降，因此实际应用的电压值稍高一些的二极管，可取3.3V。
3.3 驱动电路设计
当输入电压最高时，Q1集电极电压最高值VCE为


考虑到变压器漏感引起的浪涌电压，因此采用高速、高压开关晶体管2SC3460。设IC=1.9A时，考虑一定的余裕，hFE取10，必须的基极电流IB约为0.19A。于是基极电阻RB为：

起动电流有1mA 就足够了，因此起动电阻为： Rg=VVIN(min) /Ig= 252/0.001=252kΩ，实际取240k.

基极电阻RB与变压器线圈NB之间连接的电容器C1的目的是加速Q1的基极电流，改善电流的起动特性。该电路中，采用0.0047u 的薄膜电容器。

4. 设计电路的仿真
在上文分析的基础上，运用OrCAD PSpice9.2 建立电路图, 进行仿真、调试,仿真波形如图2－图4 所示（R1＝8 欧姆）。








从仿真波形可以看出，电路工作周期T＝19us, 开通时间TON＝7.9us,占空比D＝7.9/19＝41.6%；输出电压VO＝23.95V，误差e = (24 − 23.95) / 24 = 0.2% ,满足设计要求。

5. 总结
本文对RCC 变换器进行原理分析并结合实例给出了设计方法，最后对所设计的电路进行了仿真验证。需要注意的是，由于各器件都不是理想的，在实际设计中必须考虑各种近似带来的影响。