基于L6565和ESBT® STC04IE170HV的80W三相SMPS设计解析

一、引言

在电机驱动和焊接应用中，一款高效且成本合理的辅助电源至关重要。本应用笔记聚焦于设计一款80W的三相辅助电源，选用了STMicroelectronics的L6565 PWM控制器和STC04IE170HV作为主开关，为高直流输入电压的三相应用提供了高效解决方案。同时，文中的频率响应研究借助MATLAB完成，所有设计选择都经过深入探讨，方便用户根据具体需求进行调整。输入电压甚至可扩展至1000VDC，最后还对实验结果进行分析，以揭示ESBT在此应用中的优势。

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二、设计规格与L6565简介

2.1 转换器规格数据

符号	描述	值
(V_{inmin})	整流后的最小输入电压	250V
(V_{inmax})	整流后的最大输入电压	850V
(V_{out})	输出电压1	24V/3.33A
(V_{aux})	辅助输出电压	15V/0.1A
(P_{out})	最大输出功率	80W
(h)	转换器效率	> 80%
(F)	最小开关频率	50kHz
(V_{spike})	钳位电路限制的最大过电压	200V

2.2 L6565特性

L6565采用电流模式控制，专为工作在准谐振模式和零电压开关（ZVS）或至少准ZVS（即导通时谷底开关）的反激式转换器设计。这种设计能最大程度降低导通时的功率损耗。不过，由于输入范围为250V - 850V，只有当(V{in }=V{inmin }=250V)时才能实现ZVS。L6565有8个引脚，详细引脚功能可参考其数据手册。

三、反激级设计

3.1 变压器设计

3.1.1 核心尺寸

核心尺寸需根据要处理的功率、初级电感和饱和电流来选择。可使用近似公式[A{P}=10^{3}left[frac{L{P} I{rms( primary )}}{Delta T^{frac{1}{2}} cdot K{u} cdot B_{max }}right]^{1.316} quadleft[ cm^{4}right]]作为起点，最终选择了ETD34。

3.1.2 变压器损耗与气隙

根据法拉第定律，为避免磁芯饱和，可计算最小初级绕组匝数[N{p min }=frac{V{in min } cdot T{O(N, max )}}{Delta B cdot A{e}}=frac{250 cdot 10 mu}{0.200 cdot 97 mu}=117]。气隙长度可根据公式[I{g}= gaplenght =left(frac{A{L}}{K{1}}right)^{frac{1}{ K{2}}}]计算，已知(L{p}=1.56 mH)和(N{p}=120)，可得气隙长度为1.63mm。在50kHz、220mT磁通偏移下，ETD34的功率损耗密度约为(300 mW / cm^{3})，总损耗约为2.29W。假设变压器效率为95%，铜损约为1.7W。

3.1.3 线径选择

要选择合适的线径，需知道初级和次级的均方根电流。已知(I{peak, primary }=1.6 A)和(I{peak, secondary }=16 A)，可得(I{rms, primary }=0.65 A)和(I{rms, secondary }=6.53 A)。通过焦耳定律计算绕组电阻，再结合铜电阻率和平均绕组长度，可计算出线径。同时，为避免集肤效应，最大允许直径为0.5mm。最终确定变压器的各项规格，如匝数比、线径等。

3.2 其他参数计算

根据公式计算电压应力、反激电压、匝数比、导通时间、峰值电流和初级电感等参数。例如，电压应力公式为[V{off }=V{inmax }-V{fl }-V{spike }]，匝数比(frac{N{p}}{N{s}}=frac{V{f l}}{V{out }+V{F, diode }}=frac{250}{24+1}=10)，初级电感(L{P}=frac{V{d c min }^{2} T{onmax }^{2}}{2.5 T{S} P{OUT }}=1.56 mH)，初级峰值电流(I{P}=frac{V{d c min } T{onmax }}{L{P}}=1.6 A)。

四、基极驱动电路设计

4.1 比例驱动方法

在开关电源等负载可变的应用中，集电极电流也会变化。采用比例驱动方法，通过电流互感器提供与集电极相关的基极电流，可避免低负载时器件过饱和，优化功耗性能。同时，利用电容和齐纳二极管提供短脉冲，加快导通速度，减少动态饱和现象。

4.2 电流互感器参数选择

选择电流互感器的匝数比为(frac{N{P}}{N{S}}=frac{1}{5})，磁芯磁导率应适中，选择相对磁导率在4500 - 7000的铁氧体材料。根据法拉第定律和最大磁通限制，计算初级匝数。同时，考虑磁化电感对变压器初级匝数和匝数比的影响，计算磁化电压降和磁化电流。

4.3 其他元件选择

选择合适的齐纳二极管、电容(C{b})和电阻(R{b})。(R{b})选择0.56Ω，可消除基极电流峰值后的振铃，且功耗可忽略。根据最小导通时间确定(t{peak})，进而计算(C{b})的值。齐纳二极管的选择需满足一定的经验公式，限制基极峰值电流的幅度和持续时间，避免器件过饱和。最终确定(N{TP}=2)，匝数比为6，(C_{b}=220 nF)，齐纳二极管为3V。

五、输出电路设计

5.1 输出电容选择

输出纹波主要由电解电容的串联电阻（ESR）引起，已知次级侧峰值电流为16A，要求电阻纹波为2%（0.48V），可得(ESR {ripple }}{I{S P}}=frac{0.48}{16}=0.03 Omega)。根据(ESR^{*} C=32 e^{-6} s)，最终选择两个680µF电容并联。

5.2 输出二极管选择

根据基尔霍夫电压定律计算输出二极管的最大电压应力，增加10%的余量后，选择STPS20120D。

六、启动网络设计

6.1 电容预充电

为使电路在施加线电压时尽快启动，需对(C{5})和(C{8})电容进行预充电。通过直接连接到直流母线的电阻对(C{5})进行预充电，根据L6565驱动器的启动电流确定启动电阻的值，(left(R{1}+R{2}+R{3}+R{4}right){inmin }}{I_{SU }}=frac{250 V}{0.07 mA} equiv 3.6 M Omega)。

6.2 电容值确定

(C{5})需能在转换器达到稳态之前为L6565驱动器供电，根据L6565的最小滞回电压和最大静态电流，可得(C{5}>frac{3.5 mA cdot 20 ms}{3.7 V} equiv 19 mu F)，选择(C{5}=33 mu F)。最终确定启动电阻为四个200kΩ电阻串联，待机功耗小于1W。(C{8})通过与L6565的OUT引脚连接的二极管和2.2kΩ电阻进行预充电。

七、频率响应和环路补偿

7.1 传递函数

不连续电流模式（DCM）反激式转换器与L6565驱动器的传递函数为[G{1}(s)=frac{v{out (s)}}{v{comp(s)}}=frac{n cdot R{out } cdotleft(1-D{max }right)}{2 cdot R{S} cdotleft(1+D{max }right)} cdot frac{left(1+s cdot C{out } cdot E S Rright)left(1-s cdot frac{L{p} D{max }}{n^{2} R{out }left(1-D{max }right)^{2}}right)}{1+s cdot frac{C{out } R{out }}{1+D_{max }}}]，传递函数有一个左半平面的极点和一个零点，以及一个右半平面的零点，右半平面零点难以补偿，需使其远离闭环带宽。

7.2 反馈网络设计

为实现良好的线路和负载调节，需要一个具有原点极点的反馈网络。选择合适的电阻和电容值，如(R{L}=R{22}=2.7 k Omega)，(R{24}=1.5 k Omega)，(C{11}=2.2 nF)，(C{13}=10 nF)，(R{21}=15 k)，以满足频率响应要求，实现约90°的相位裕度和足够的闭环带宽。

八、效率、波形和实验结果

8.1 效率分析

不同输入电压下的整体效率随输出功率的变化如图所示。低输入电压时，总效率超过80%，在中高负载条件下接近85%。效率随输入电压升高而降低，但在最大输入电压下，负载高于30%时效率仍高于75%。

8.2 波形分析

通过演示板验证了理论假设，展示了不同输入电压和负载条件下的波形，包括栅极电压、基极电流和集电极电压等，直观地反映了转换器的工作状态。

九、电路板修改

9.1 修改原因

为利用SMD组件尺寸减小的优势，并插入具有更好初级电感和辅助绕组耦合的新变压器，发布了STEVAL - ISA019V2和STEVAL - ISA019V3的新版本。

9.2 修改内容

移除了J2连接器（倍压器），并在输入线路中串联了一个NTC电阻10R（EPCOS B57237S100M），以抑制大容量电容器充电时的过电流峰值。同时给出了新变压器的规格和电路板的丝印、铜轨等信息，还列出了详细的物料清单。

十、总结

通过对这款80W三相SMPS的设计分析，我们可以看到各个部分的设计相互关联，共同影响着电源的性能。从变压器的设计到驱动电路、输出电路、启动网络以及频率响应和环路补偿等方面，都需要精心考虑和计算。在实际应用中，工程师可以根据具体需求对设计进行调整和优化，以满足不同的工作条件和性能要求。你在实际设计中是否遇到过类似的问题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。