反激式转换器适用于电池供电的CCD应用

本文介绍反激式电源转换器的设计，以从四个AAA电池操作CCD设备，例如数码相机。MAX752和多路输出变压器提供+15V、-7.5V和5V电压。首次通过设计在低输入电压下效率低，Lx引脚上的电压尖峰较大。使用二极管可改善低电压下的 MOSFET 操作。由于非理想变压器动作引起的反激式尖峰由缓冲器网络控制。效率曲线显示，在 50 欧姆负载和 5.25V 输入下，效率曲线大于 80%。MAX752工作在170kHz。输入电压范围为 3.5V 至 6.5V。

反激式电源可以产生多个电压，以支持使用电荷耦合器件进行成像的产品。

使用电荷耦合器件 （CCD） 进行成像的产品需要多个电源电压，例如 15V、-7.5V 和 5V。用于产生这些电压的电源电路具有四个AAA碱性电池的电源，并产生3.5V至6.5V的输入电压范围。

所讨论的电源是反激式变压器类型，以两步循环运行。第一步将能量存储在变压器的初级（充当电感器）中，第二步将能量从次级传输到负载。选择反激式变压器的铁芯以最小的损耗存储和传输能量。

由于反激式电源的核心是其变压器，因此应在设计早期确定变压器规格。这使变压器供应商有足够的时间来优化尺寸、成本、损耗和温升。一般来说，除非你有经验或有能力进行多次迭代，否则您不应该进行反激式变压器的设计。以下几个项目定义了转换器：

输出数量。此设计要求 5.5V/0.1A、15V/0.015A 和 -7.5V/0.015A。

电源转换IC的类型及其工作频率。例如，本电路的MAX752是一款工作频率为170kHz的电流模式脉宽调制器（PWM）。

次级设备中使用的整流器类型。低成本的1N4148型低电流二极管在中等电流水平下下降约1V，肖特基整流器在较高电流水平下下降约0.5V。无论哪种方式，固定整流器损耗都由反激式变压器的匝数比补偿。

首程设计（图1）给出了良好的结果，但低VIN下的效率水平和IC1的Lx引脚上的高压尖峰除外。这些缺点可以通过更好地了解反激式变压器和IC的内部电路来抵消。后续附图摘自MAX752数据资料（图2），有助于了解低输入电压下的效率下降。一个开关 MOSFET 处理大部分电流，另一个采样一小部分用于电流控制环路。

图1.针对电池供电CCD应用的反激式电源设计。

图2.MAX752内部细节

要接通 n 沟道 MOSFET，必须将其栅极电位提高到源极电位以上。导通电阻随着栅极电压的增加而减小，因此较高的栅极电压通过降低内部功耗来提高效率。例如，测试表明，低输入电压（3.5V）不能为MAX752开关MOSFET的完全导通提供足够的栅极电压。作为一种解决方案，D4和D5允许在输入电压降至4.75V以下时施加5.5V电源。（请参阅图 3。这种从输出为 DC-DC 转换器供电的技术称为“自举”。正如预期的那样，电源电压越高，效率就越高。

图 3.用于电池供电 CCD 应用的反激式电源的最终设计。

当内部MOSFET关断时，重输出负载会导致MAX752 Lx引脚上的尖峰大于20V。必须纠正这些尖峰，因为它们超过了器件的最大击穿电压。尖峰持续时间很短，但为了长期可靠性，必须理解和抑制它们。

高压尖峰源自反激式变压器，其初级电路由简化模型表示。（请参阅图 4。为清楚起见，MAX752中的MOSFET被简单的机械开关所取代。能量在反激循环的第一部分存储在初级中，并在 S1 打开时从核心通过次级传输到负载。

图4.反激式变压器初级变压器模型。

理想的变压器将所有初级侧能量传输到次级，但实际变压器的不完美耦合仅允许部分传输。这种畸变建模为漏感（Ls），可储存能量并产生感应“踢”，当电源开关打开时，该“踢”表现为短暂的高压尖峰。

良好的变压器设计包括双绕组技术、适当的几何形状和正确的绕组放置。这些措施可以最大限度地减少，但不能消除漏感。您应该预期泄漏等于初级电感的 1% 到 2%，并记住存储的能量是 1/2Lsi 2。电路必须控制该能量，同时防止形成破坏性的高电压。

通常包括一个称为缓冲器的电路，以吸收漏感的能量。最简单的缓冲器（图5）是反激式变压器初级端上的电阻。这种方法很少使用，因为电阻器不断浪费能量，变热并降低效率。更好的解决方案是串联RC网络，其时间常数可以调整为仅在短时间内提供缓冲。RC缓冲器减少了损耗，但它在上升沿和下降沿上都缓冲了损耗。所需要的是一个仅在上升边缘运行的缓冲器。

Figure 5. Snubber circuits for flyback transformers.

带有串联二极管的并联RC网络形成一个缓冲器，仅在上升方向上耗散功率，但特别关注功率效率的设计人员可能会反对以这种方式浪费感应踢能量。为什么不引导能量并使用它呢？这个目标可以通过在初级和次级之间的小电容来实现。当初级侧电源开关断开时，每个变压器绕组两端的电压极性反转，允许功率从每个次级传输到其负载。小电容器允许电感踢耦合到变压器上。该能量与次级输出电压同相，迅速通过每个次级整流器到达输出电容。

下图（图6）中的曲线显示了4.5V和5.0V之间的轻微拐点，因为自举二极管（D4和D5）将IC功率从输出电压转换为输入电压。由于该设计对反馈未直接检测的次级输出的调节性能较差，因此最适合仅要求对一个输出进行严格调节的系统。非稳压输出响应主输出端的负载变化而移动，但能很好地调节源电压的变化。这种“线路调节”是电池供电系统的主要关注点，因此该电路是小型、高效、多输出电源的理想选择。

图6.效率与电源电压的关系。