振荡线圈变换器

✍ dations ◷ 2025-06-08 18:29:05 #电学

振荡线圈变换器(Ringing Choke Converter,缩写为:RCC), 是一种适合小功率离线直流输出的开关电源。

据传,振荡线圈变换器是在开关电源的概念出现之后,由日本的电子工程师发明,并在日本大量生产。由于日本工业界的封闭,具体的发明者难于考证。RCC曾经受到台湾地区、中国大陆企业的大量仿制,至今(2008年)仍然在中国大陆地区大量制造。

由于集成电路的丰足取消了对RCC的需要,以及RCC并不适合欧美的规模化生产方式,欧美电子业从来没有长期大量生产RCC电源。

Rcc1.gif

RCC的基本结构是反激变换器。它工作在介于连续电流模式和非连续电流模式之间的临界模式。RCC由一个主开关晶体管、一个变压器和一些电阻、电容、二极管组成,并不包含集成芯片。不包含集成芯片,使得RCC的成本较采用集成芯片的电源电路为低。但随着集成电路芯片的降价(如今一个芯片的价格仅为人民币0.5元左右),RCC的成本优势已经非常弱。


主开关晶体管

传统的RCC一般采用功率三极管(BJT)作为开关管。较新的设计采用了金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET),以实现更低功耗以及准谐振等功能。

变压器

RCCRCC的功率部分如同普通的反激变换器一样操作。信号和控制部分原理如下:

1.当加入输入电压Vin(电阻RG连接Tr1的基极),电流Ib流过Rb,Tr1导通,此Ib为启动电流。Tr1的collector电流Ic波形如图,一般从0开始。

2.Tr1一旦进入ON状态,transformer的P1线圈已加入输入电压Vin,因此P2线圈形成的电压为Tr1提供了基极电流,使得Tr1可以保持导通。

3.Tr1的集电极电流成斜坡状上升,直到电流为βIb,此时基极电流无法维持Tr1晶体管饱和导通,晶体管集电极--发射极之间的电压上升。而这里的电压上升使得变压器Np上的输入电压下降,更导致Ib下降。于是形成了正反馈,使得Tr1最终关闭。

4.Tr1关闭后如同其他反激变换器一样,储存在变压器内部的能量流到次级电容里,为负载供电。在变压器内部能量未释放完时,基极一直被次级反射来的负电压下拉,晶体管保持关闭。变压器内部能量释放完毕后,电路工作状态转入第1步,形成周期性循环。

5.如果在集电极有较大电流时使用其他方法导致基极电流不足,也可以触发正反馈机制关断晶体管Tr1。这一特点常用于实现电流限制和稳压。(即在电流或电压过大时减小占空比或禁止晶体管开通)

限流、稳压原理

RCC Schematic 2.gif

基本的RCC电路天然有着限制峰值电流的特征。由于基极电阻的限流作用,基极电流无法超过Vin/Np*Nb/Rb,从而让集电极电流在超过βIb时触发正反馈关断机制。实际应用中,这种限流是不准确的,因为晶体管的β离散性很大(同种型号晶体管β可以相差4倍),并且输入电压Vin不固定。实际采取的大多是电流检测电阻+NPN晶体管对基极分流的方法。图中的R3是电流检测电阻,当它上面的电压加上1N4148的导通压降(约0.8V)超过8050的导通电压时,8050导通,拉出基极电流,使得基极欠流,触发正反馈机制从而关断。

RCC的稳压是通过基极绕组的反激电压实现的。当晶体管关断,基极绕组异名端反接的的电容C2充电。C2的电压和C3的电压成比例Nb/Ns。当C2的电压超过了稳压管D8的齐纳电压,C2就流出电流,把基极电压拉低,阻止或减缓晶体管导通,从而间接控制了C3上的输出电压。

目前被普遍认识的是RCC电路对元件、布线、生产工艺要求很高。使用劣质元件、水准不高的布板、变压器绕制不恰当都可能导致RCC电路无法工作,或在正常工作一段时间后失效。常见失效模式包括但不限于:

漏感导致的二次击穿 RCC最常见也最典型的失效现象是主开关管烧毁。大部分此类故障是由变压器基极线圈漏感导致的。变压器基极线圈的漏感和基极串联的电阻形成LR低通滤波电路,对电流信号有延迟作用,导致在集电极电压上升时,基极电流减小的正反馈出现延迟。而这样的延迟对于绝大部分双极型开关管是致命的,它导致晶体管越出安全工作区,以及发热量过大,最终导致不可逆的二次击穿。

此类故障较少出现在使用功率MOSFET制作的RCC上,因为功率MOSFET的安全工作区远大于双极型晶体管。并且功率MOSFET为电压控制型,开通/关断阈值范围窄,MOSFET较为不易出现同时承受大电流和高电压的情况,即使偶尔出现也不会发生不可逆的失效。曾经有一批基于MOSFET的RCC电源常常因开关管损坏而失效,经查证,是因为厂家技术考虑不周,机械模仿110V地区产品,在220V交流线路(整流后电压高达311V)上,使用了耐压500V的MOSFET(型号是IRF840)。

输出电压不稳,损坏用电器

另一常见的问题是输出电压明显超过设计输出电压,导致负载过热、烧毁。特别是当负载为锂离子电池时,输出过高电压极端危险,可能导致电池内部气体液体泄漏甚至爆炸。 原因一是变压器绕组间不完全耦合,存在漏感,导致互调整率差。在变换器处于轻载状态,占空比小的时候,此问题更加严重。二是和集成芯片中包含的运算放大器(放大倍数高达数百倍、数千倍)相比,电压环路开环增益太小,精确稳压困难。

并且这两个缺点几乎是不可能同时妥善解决的。解决二次击穿问题要求基极线圈和主线圈近绕以保持耦合良好,而解决输出电压不稳的问题要求次级线圈和基极线圈近绕,又要求初次级之间数千伏的电气隔离。在有限绕线位置的变压器骨架下,要达到这两个矛盾的目的,十分困难。

相关

  • 有尾噬菌体目有尾噬菌体目(学名:Caudovirales),caudo由拉丁文的cauda而来,有“尾状”的意思。本目的病毒主要的宿主为细菌和古细菌,感染宿主时会利用尾状的结构,将DNA注入宿主中。在生物技术方
  • 屠呦呦中华人民共和国全国科学大会奖(1978) 中华人民共和国国家发明奖二等奖(1979) 世界文化理事会阿尔伯特·爱因斯坦世界科学奖 (1987) 第三届中国中医科学院唐氏中药发展奖 (2009) 葛兰
  • 刘昌胜刘昌胜(1967年6月-),湖北大冶人,中国生物材料学家,华东理工大学教授。2017年当选为中国科学院院士。1989年毕业于湖北大学生物系,1992年获华东化工学院硕士学位,1996年获华东理工大
  • font color=#ffffff湖北/font湖北省高等学校列表,是中国大陆高等学校列表的湖北省部分。截至2017年5月31日,湖北共有36所公立本科高校、32所民办本科高校、51所公立专科高校、10所民办专科高校、14所成人
  • 萨姆特堡萨姆特堡(英语:Fort Sumter)是位于美国南卡罗来纳州查尔斯顿港的一处石制防御工事,始建于1827年,以美国独立战争英雄托马斯·萨姆特将军的姓来命名。1861年4月12日,萨姆特堡遭到南
  • 涌现涌现(英语:emergence)或称创发、突现、呈展、演生,是一种现象,为许多小实体相互作用后产生了大实体,而这个大实体展现了组成它的小实体所不具有的特性。许多人都曾定义过“涌现”
  • 利季娅·戈洛瓦乔娃利季娅·伊万诺夫娜·戈洛瓦乔娃(俄语:Лидия Ивановна Головачёва,1937年10月25日-2011年6月15日),苏联及俄罗斯汉学家,知名于对中国古代哲学的研究。1937
  • 以马内利修女以马内利修女(法语:Sœur Emmanuelle,1908年11月16日-2008年10月20日),本名玛德莲·桑岗(Madeleine Cinquin)。索邦大学文学学士学位。被称为法国穷人的守护天使。1931年于锡安圣母
  • 王仲方王仲方(1921年1月-2017年1月14日),男,安徽芜湖人,中华人民共和国政治人物。1938年2月,加入中国共产党。1949年,任政治协商会议筹备会秘书处副处长。1951年,担任罗瑞卿政治秘书;1953年5
  • 萨伏依的玛丽亚·克罗蒂尔德萨伏依的玛丽亚·克罗蒂尔德(意大利语:Maria Clotilde di Savoia,1843年3月2日-1911年6月25日),意大利国王维托里奥·埃马努埃莱二世的长女。1859年,玛丽亚·克罗蒂尔德与法国皇帝