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振荡线圈变换器

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

历史 编辑

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曾经受到台湾中国大陆企业的大量仿制,至今(2008年)仍然在中国大陆大量制造。

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。

典型结构和原理 编辑

 

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

RCC RCC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

 

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。

RCC电路的不稳定性 编辑

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。

参考资料 编辑

振荡线圈变换器, 本條目存在以下問題, 請協助改善本條目或在討論頁針對議題發表看法, 此條目已列出參考文獻, 但因為沒有文內引註而使來源仍然不明, 2014年6月17日, 请加上合适的文內引註来改善这篇条目, 此條目需要补充更多来源, 2014年6月17日, 请协助補充多方面可靠来源以改善这篇条目, 无法查证的内容可能會因為异议提出而被移除, 致使用者, 请搜索一下条目的标题, 来源搜索, 网页, 新闻, 书籍, 学术, 图像, 以检查网络上是否存在该主题的更多可靠来源, 判定指引, 此條目需要精通或熟悉相关主题的. 本條目存在以下問題 請協助改善本條目或在討論頁針對議題發表看法 此條目已列出參考文獻 但因為沒有文內引註而使來源仍然不明 2014年6月17日 请加上合适的文內引註来改善这篇条目 此條目需要补充更多来源 2014年6月17日 请协助補充多方面可靠来源以改善这篇条目 无法查证的内容可能會因為异议提出而被移除 致使用者 请搜索一下条目的标题 来源搜索 振荡线圈变换器 网页 新闻 书籍 学术 图像 以检查网络上是否存在该主题的更多可靠来源 判定指引 此條目需要精通或熟悉相关主题的编者参与及协助编辑 2015年12月14日 請邀請適合的人士改善本条目 更多的細節與詳情請參见討論頁 此條目需要編修 以確保文法 用詞 语气 格式 標點等使用恰当 2023年11月19日 請按照校對指引 幫助编辑這個條目 幫助 討論 此條目可能包含原创研究 2023年11月19日 请协助補充参考资料 添加相关内联标签和删除原创研究内容以改善这篇条目 详细情况请参见讨论页 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 目录 1 历史 2 典型结构和原理 3 RCC电路的不稳定性 4 参考资料历史 编辑据传 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 中国大陆企业的大量仿制 至今 2008年 仍然在中国大陆大量制造 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 典型结构和原理 编辑 nbsp 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RCC RCC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bIb 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 nbsp 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bIb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b离散性很大 同种型号晶体管b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 RCC电路的不稳定性 编辑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 参考资料 编辑PWM Boost DC DC Controller 1 永久失效連結 常用电子元器件手册 取自 https zh wikipedia org w index php title 振荡线圈变换器 amp oldid 79797754, 维基百科,wiki,书籍,书籍,图书馆,

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