手工具机、喷墨式印表机及硬碟机等马达性负载启动瞬间需要较高的启动电流。面对如此大范围变化的功率需求,若以启动瞬间的条件来设计变压器,会造成平时工作状态的过度设计(Overdesign)而增加设计成本,我们将针对需求特性及原理进行分析。
根据法拉第定律,返驰式转换器(Flyback converter)的能量转换公式如式(1)所示,由以下公式中我们可以看出,一次侧的峰值电流变化量受到输入电压(VI)、电感感量(L)、导通时间(DON)以其操作频率(FSW)等参数影响。以前述例子而言,启动瞬间需要较大的启动电流(IP),因此开关导通时间会随着负载不断增加,使得峰值电流变化(DIP)也随之上升,此时,磁通量密度可能会因为过大的峰值电流变化而超过其承载上限值(BMAX),造成变压器饱和产生短路线现象,导致一次侧峰值电流急速增加而毁损周边原件,如图1所示。
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一次侧峰值电流变化量
VI 输入电压
DON 开关导通时间
L 一次侧电感感量
FSW 关关切换频率
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图1、变压器饱和现象
由公式(1)中可得知,峰值电流变化和开关切换频率呈反比关系,如公式(2)所示。若将开关切换频率随负载增加而提升(图2),能够有效抑制峰值电流的变化量,不仅可提供瞬间高瓦特数输出,提升瞬间的启动能力,更能降低变压器在启动瞬间的磁通,缩小元件尺寸并降低成本。
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图2. 依据负载调整开关切换频率
目前市面上PWM IC并无专门针对此应用的解决方案,若要满足上述需求皆需要增加周边应用电路。因此,以下特别使用一款符合这样需求的产品--LD7533来做说明。
LD7533为一电流模式控制IC,整合了过电压保护(OVP)、过温保护(OTP)及过载保护(OLP)等保护功能,同时也具备了可调式软启动(Soft Start)、电压过低锁定(UVLO)、内建输出PWM频率跳动及前缘突波遮蔽(LEB)等功能。另外,LD7533拥有低启动电流(<18μA)及轻载运作时极低的操作电流(<1mA),如此较传统电流模式控制设计能达到更精简及节能要求。
以18W(12V/1.5A)应用为例,当Peak POWER需求达到36W(12V/3A)时,LD7533将原有PWM频率由62KHz提升至180KHz,避免变压器产生饱和现象,不仅可以满足瞬间较高瓦特数需求,更能有效降低最大磁通量密度(BMAX)达21%,如下图3所示。
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图3、LD7533与一般PWM IC比较