John Betten

返馳式轉換器具有眾多優點，包括成本最低的隔離式電源轉換器、輕鬆提供多種輸出電壓、簡單的一次側控制器以及高達 300W 的電力輸送。返馳式轉換器可運用在許多離線應用中，從電視到手機充電器，乃至於電信與工業應用。它們的基本操作可能讓人望之卻步，並且設計選擇繁多，特別是對於那些以前沒有設計過的人來說。讓我們來看看 53VDC 至 12V、5A 連續傳導模式 (CCM) 返馳的一些關鍵設計考量。

圖 1 所示是工作頻率為 250kHz 的 60W 返馳詳細電路圖。當 FET Q2 導通時，輸入電壓施加在變壓器的一次繞組上。‌繞組中的電流現在逐漸增加，使能量能夠儲存在變壓器中。由於輸出整流器 D1 反向偏壓，流向輸出的電流被阻止。當 Q2 關斷時，一次電流中斷，迫使繞組的電壓極性反轉。電流現在從二次繞組流出，使線圈電壓的極性與點電壓正極相反。D1 導通，向輸出負載提供電流並對輸出電容器充電。

可以增加額外的變壓器繞組，甚至可以堆疊在其他繞組之上，以獲得額外的輸出。然而，增加的輸出越多，其穩壓就越差。這是因為繞組和磁芯 (耦合) 之間的磁通聯接不完美，以及繞組的物理分離，從而產生漏電感。漏電感可作為與一次繞組和輸出繞組串聯的雜散電感。這會與繞組串聯產生意外的壓降，實際上降低輸出電壓調節的準確度。一般經驗法則是，使用正確繞製的變壓器時，在交叉負載情況下，預計非穩壓輸出的變化在 +/-5 至 10% 之間。此外，重負載穩壓輸出可能會因偵測洩漏產生的電壓突波，導致空載二次輸出的電壓大幅增加。在此情況下，預載或軟箝位有助於限制電壓。

CCM 和非連續傳導模式 (DCM) 操作各有其優點。根據定義，當輸出整流器電流在下一個週期開始之前降至 0A 時，就會發生 DCM 操作。DCM 操作優點包括較低的一次電感 (通常的結果是功率變壓器體積較小)、消除整流器的反向復原損耗和 FET 導通損耗，以及無右半平面零點。然而，與 CCM 相比，一次和二次的峰值電流較高，輸入與輸出電容增加，電磁干擾 (EMI) 增加，以及輕負載下的工作週期降低，都會抵銷這些優點。

圖 2 說明了 Q2 和 D1 中的電流在最小 V_IN 下如何變化，以及CCM 和 DCM 中的負載從最大值降至約 25%。在 CCM 中，對於固定輸入電壓以及負載介於最大和最小設計電平 (~25%) 之間時，工作週期是恆定的。電流「基底」電平隨著負載的降低而降低，直到達到 DCM，此時工作週期降低。在 DCM 中，最大工作週期僅出現在最小 V_IN 和最大負載時。輸入電壓增加或負載減少時，工作週期會降低。

這會使高線和最小負載下的工作週期變小，因此請確保您的控制器可以在此最小導通時間內正常運作。DCM 操作會在整流器電流達到 0A 後引入工作週期低於 50% 的失效時間。它的特點是 FET 汲極上的正弦電壓，並由剩餘電流、寄生電容和漏電感設定，但一般都是良性的。在此設計中，之所以選擇 CCM 操作，是因為可以透過減少開關和變壓器損耗來實現更高的效率。

此設計使用一次參考 14V 偏壓繞組在 12V 輸出達到穩壓後為控制器供電，與直接從輸入供電相比，可降低損耗。我選擇了兩級輸出濾波器來實現低漣波電壓。第一級陶瓷電容器負責處理 D1 中脈動電流的高 RMS 電流。它們的漣波電壓透過濾波器 L1 和 C9/C10 降低，漣波降低約 10 倍，同時 C9/C10 中的 RMS 電流也降低。如果可以接受較高的輸出漣波電壓，則可以省去電感-電容濾波器，但輸出電容必須能夠處理全 RMS 電流。

UCC3809-1 或 UCC3809-2 控制器的設計旨在直接與 U2 光耦合器連接，用於隔離應用。在非隔離設計中，可以省去 U2 和 U3 以及直接連接到控制器的電壓反饋電阻分壓器，例如具有內部誤差放大器的UCC3813-x 系列。

Q2 和 D1 上的開關電壓會在變壓器繞組和元件寄生電容中產生高頻共模電流。如果沒有 EMI 電容器 C12 提供傳回路徑，這些電流將流入輸入和/或輸出，從而增加雜訊或可能導致運作不穩定。

Q3/R19/C18/R17 的組合透過將振盪器的電壓斜坡加總到 R18 的一次電流感測電壓 (用於電流模式控制) 來提供斜率補償。斜率補償消除了次諧波振盪，這種現象的特徵是先出現寬工作週期脈衝，後出現窄工作週期脈衝。由於此轉換器的設計操作率不超過 50%，因此我增加了斜率補償以降低開關抖動敏感性。然而，過大的電壓斜率可能會將控制迴路推向電壓模式控制，並可能導致不穩定。‌最後，由光耦合器傳輸來自二次側的誤差訊號以保持輸出電壓穩定。回饋 (FB) 訊號包括電流斜率、斜率補償、輸出誤差訊號和直流偏移，以降低過電流閾值。

圖 3 所示為 Q2 和 D1 的電壓波形，顯示部分漏電感和二極體反向復原誘發的振鈴。

在需要低成本隔離式轉換器的應用中，‌返馳被視為標準。此設計範例涵蓋了 CCM 返馳設計的基本設計考量。

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• 用電訣竅 #75：車用系統的 USB 電力輸送
• 如何將返馳式轉換器設計成兩級 LED 驅動器的前端
• LTC 設計說明：560V 輸入，無光耦隔離返馳式轉換器
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