狠经典RCC电路分析变压器计算

一种自激式反激变换器的分析和设计

顾元强，尹斌，吴海新，王先永

河海大学电气工程学院，南京 (210098)

E-mail: guyq2005@163.com

摘 要：自激式反激变换器（通常指RCC）电路简单，成本低廉，广泛应用于100W以下的小功率开关稳压电源。本文详细介绍了RCC电路的工作原理和设计方法。 关键词：RCC，自激，反激变换器

1. 引言

自激式反激变换器，通常称为RCC电路（ringing choke converter），出现在稳压电源IC之前，可实现最简单的开关稳压器。基于RCC方式的开关稳压器不需要外部时钟，通过变压器和开关晶体管就可实现振荡功能，只需少数分立器件就可以获得专用芯片才能实现的输出性能，通过良好的设计可获得高效可靠的工作[1]。

RCC变换器总是工作于边界连续状态(DCM/CCM),采用峰值电流控制模式。由于要维持其边界连续模式，并且原边电流上升斜率受输入电压影响，因此工作频率和占空比均受输入电压和输出电流的控制，在高输入电压和轻载时频率较高[2]。

2. 电路工作原理分析

RCC方式的本质即为反激变换器，图1给出实际应用最多的RCC方式的基本电路图。为简化稳态分析，可做如下近似[2] [3]：

（1）、忽略变压器漏感对主管Q1的集射极电压VCE的影响，实际使用时需要RCD箝位； （2）、主电路输出电容足够大，输出绕组电压箝位于输出电压VO； （3）、稳态时电容C3上的电压保持不变； （4）、稳态时电阻Rg的作用可以忽略。

Rg*LpD2Ls*C2R1VinRbQ1DZRsVzD1C3D3*LbC100图1 RCC基本电路图

下面分析其工作过程[1]

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2.1 电路的起动

接通输入电源VIN后，电流ig通过电阻Rg流向开关晶体管Q1的基极，Q1导通，ig称为起动电流。在RCC方式中，晶体管Q1的集电极IC必然由零开始逐渐增加，因此ig应尽量小一点。

2.2 开关晶体管处于ON状态时

一旦Q1进入ON状态，输入电压VIN将加在变压器的初级绕组NP上。由匝比可知，基极线圈NB上产生的电压为 VB=(NB/NP)VIN，该电压与Q1导通极性相同，为正反馈电压，其作用是使开关晶体管进一步迅速导通。因此VB将维持Q1的导通状态，此时基极电流

IB是连续的稳定电流，IB=

(NB/NP)VIN−(VD1+VBE)

（忽略RS上的压降，下同）。此时

RB

变压器二次绕组上感应电压为反向电压，整流二极管D2截止，二次绕组中无电流通过。若一次绕组电感为LP,导通时间为t，Q1集电极电流IC线性增长，IC=VIN∗t/LP。

随着IC的增加，当IC≥IB∗hFE时，晶体管退出饱和状态，VCE随之增大，变压器一次绕组电压下降，反馈绕组感应电压下降，基极电流IB进一步减小，基极电流不足，开关管迅速截止。

2.3 开关晶体管处于OFF状态时

晶体管从导通到截止瞬间，根据磁通连续性定理，磁场的方向和大小都保持不变，因此，要与一次绕组中流经的电流保持同样的安匝数，二次绕组电压反向，使二极管导通，由等式

I1P∗NP=I2P*NS知导通瞬间电流I2P=I1P*NP/NS。

设输出电压VO，整流二极管压降VD2，二次绕组电感LS，则二次绕组电压

VS=VO+VD2，二极管电流以VS/LS的速率下降，同时变压器电感中储存的能量供给输出

端。

2.4 开关管再次导通

变压器中的能量全部转移到输出端，则整流二极管D2的电流变为0截止，此瞬间变压器各绕组电压也变为0，启动电阻Rg中部分电流变为开关管基极电流，在正反馈作用下再次导通。

2.5 稳压原理

RCC电路是一种非固定周期的开关电源，它不是由占空比连续变化的PWM控制信号来驱动。当输出电压超过额定值时，开关管提前关断，I1P峰值电流减小，反激变压器储能下降，变换器输出电压降低；当输出电压低于额定时，开关管延迟关断，I1P峰值电流升高，变压器储能增加，变换器输出电压上升，完成输出稳压调整过程。

要使晶体管关断，只要使基极的驱动电流不足即可（相对于集电极电流而言），因此，可以用稳压管DZ来分流。DZ的阳极与电容器C3的阴极相连。在Q1OFF期间，NB线圈通

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过导通的D3为C3充电，C3的电压变为负电压，DZ的齐纳电压VZ为：VZ=VC+VBE，如果输出电压上升，C3的端电压VC也随输出电压VO成正比上升，于是齐纳二极管DZ导通，驱动电流从它所形成的旁路流过，进而使Q1OFF。此间NB线圈和NS线圈的电压值分别与匝数成正比,即 VC=

NB

(VO+VD2)−VD3，反之也可改变VC使VO随之改变。因此由VZ、NS

NS/NB即可确定输出电压VO。即输出电压为 VO=

NS

i(VZ−VBE+VD3)−VD2，若忽略NB

VBE、VD2和VD3，则VO与VZ成正比，且输出电压的精度由电压VZ的精度确定。

3. RCC电路设计方法

RCC电路的设计包括功率主电路设计和控制电路的设计。下面结合一24V/3A的电源实例说明其设计步骤。

主要技术参数：（1）输入电压AC:220V±10%，频率：50Hz；（2）输出：电压24V，电流3A；（3）稳压精度：5%；(4)工作效率>75% 。

3.1 变压器参数计算

设计中按最低输入电压、最大输出电流计算，此时振荡频率最低，取为50k，占空比D=0.4。

最低输入直流电压：

VIN(min)＝220×（1-10%）×2×0.9＝252V

变压器电感及匝数的计算：

i1p=

2i1(ave)D

=

2PO2×24×3

==1.90A

DηVIN(min)0.4×0.75×252

NP线圈的电感LP为：

LP=

次级线圈电压：

VS=VO+VD2=24+0.7=24.7V

由变压器的伏秒平衡可得：

VIN(min)

i1P

ton=

252

×8×10−6=1.06mH 1.90

VIN(min)DT=

从而得到匝数比：

NPS=

NPVS(1−D)TNS

NPVIN(min)D252×0.4

===6.8 NSVS(1−D)24.7×0.6

由于动作频率较低且输出功率很低，故采用的磁芯为TDK生产的材质为H3S的EI40。 一次线圈匝数：

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252×8×10−6

NP=×10=×108=49

2800×1.48∆BiAe

8

VIN(min)ton

二次线圈匝数： NS=NP/NPS=49/6.8=7.2 取8匝。 基极绕组匝数NB：设最低输入电压VB=6V， NB=

变压器间隙：

6

×49=1.17 取1匝 252

AeiNP21.48×492−8−8

lg=4πi10×10=4π×=0.42mm −3

1.06×10LP

实际的间隙纸板厚度为lg的一半，即为0.21mm。

3.2 稳压电路的设计

首先，当Q1处于OFF时，线圈NB的电压VB为

VB=

'

'

NB1

iVS=×24.7=3.1V NS8

作为电压控制用的齐纳二极管DZ两端的电压VZ为：

VZ=VB+VBE—VD3=3.1V

由于变压器本身也有压降，因此实际应用的电压值稍高一些的二极管，可取3.3V。

'

3.3 驱动电路设计

当输入电压最高时，Q1集电极电压最高值VCE为

VCE=VS*NPS+VIN(MAX)=24.7×6.8+248×2×0.9=484V

考虑到变压器漏感引起的浪涌电压，因此采用高速、高压开关晶体管2SC3460。

设IC=1.9A时，考虑一定的余裕，hFE取10，必须的基极电流IB约为0.19A。于是基极电阻RB为：RB=

VB−(VBE+VD1)(1/49)×252−(0.7+0.7)

==27Ω

IB0.19

起动电流有1mA就足够了，因此起动电阻为：Rg=VIN(min)/ig=252/.001=252kΩ，实际取240k.

基极电阻RB与变压器线圈NB之间连接的电容器C1的目的是加速Q1的基极电流，改善电流的起动特性。该电路中，采用0.0047u的薄膜电容器

4. 设计电路的仿真

在上文分析的基础上，运用OrCAD PSpice9.2 建立电路图, 进行仿真、调试,仿真波形如图2－图4所示（R1＝8欧姆）。

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图2 输出电压

VO波形

图3

Q1集电极电流IC波形

图4

RB上驱动电压波形

从仿真波形可以看出，电路工作周期T＝19us, 开通时间TON＝7.9us,占空比D＝7.9/19＝41.6%；输出电压VO＝23.95V，误差e=(24−23.95)/24=0.2%,满足设计要求。

5. 总结

本文对RCC变换器进行原理分析并结合实例给出了设计方法，最后对所设计的电路进行了仿真验证。需要注意的是，由于各器件都不是理想的，在实际设计中必须考虑各种近似带来的影响。

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参考文献

[1] 户川治郎. 实用电源电路设计[M]. 北京：科学出版社，2006 [2] 樊晓东. RCC电路原理分析与设计[J].电源世界，2007.1:20-22

[3] Brian T. Irving and Milan M. Jovanović. Analysis and Design of Self-Oscillating Flyback

Converter [J], IEEE Applied Power Electronics Conf. (APEC)Proc., pp.897-903, March 2002.

Principle and Design of Self-Oscillating flyback converter

Gu Yuanqiang, Yin Bin, Wu Haixin, Wang Xianyong

College of Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing (210098)

Abstract

The self-oscillating fly back converter (often referred to as RCC) is widely used in low-power regulated switching power supply due to its simplicity and low component count .This paper presents a detailed principle analysis and design guidelines of RCC. Keywords: RCC, self-oscillating, fly back converter

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