[科普中國(guó)]-振蕩線圈變換器

振蕩線圈變換器（Ringing Choke Converter，縮寫為：RCC）, 是一種適合小功率離線直流輸出的開關(guān)電源。RCC的基本結(jié)構(gòu)是反激變換器。它工作在介于連續(xù)電流模式和非連續(xù)電流模式之間的臨界模式。

典型結(jié)構(gòu)和原理RCC由一個(gè)主開關(guān)晶體管、一個(gè)變壓器和一些電阻、電容、二極管組成，并不包含集成芯片。不包含集成芯片，使得RCC的成本較采用集成芯片的電源電路為低。但隨著集成電路芯片的降價(jià)（如今一個(gè)芯片的價(jià)格僅為人民幣0.5元左右），RCC的成本優(yōu)勢(shì)已經(jīng)非常弱。1

主開關(guān)晶體管傳統(tǒng)的RCC一般采用功率三極管(BJT)作為開關(guān)管。較新的設(shè)計(jì)采用了金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET），以實(shí)現(xiàn)更低功耗以及準(zhǔn)諧振等功能。

變壓器RCC的變壓器由三個(gè)或以上的繞組組成，包含輸入側(cè)的一個(gè)主輸入繞組，一個(gè)反饋繞組以及輸出側(cè)的一個(gè)或多個(gè)輸出繞組。和所有的反激變換器一樣，這個(gè)變壓器需要承受大的直流偏磁。1

輔助電路輔助電路需要二極管、電阻、電容等，實(shí)現(xiàn)電流限制、電壓限制等功能。2

基本原理RCC的功率部分如同普通的反激變換器一樣操作。信號(hào)和控制部分原理如下：

1.當(dāng)加入輸入電壓Vin（電阻RG連接Tr1的基極），電流Ib流過Rb，Tr1導(dǎo)通，此Ib為啟動(dòng)電流。Tr1的collector電流Ic波形如圖，一般從0開始。

2. Tr1一旦進(jìn)入ON狀態(tài)，transformer的P1線圈已加入輸入電壓Vin，因此P2線圈形成的電壓為Tr1提供了基極電流，使得Tr1可以保持導(dǎo)通。

3. Tr1的集電極電流成斜坡狀上升，直到電流為βIb，此時(shí)基極電流無法維持Tr1晶體管飽和導(dǎo)通，晶體管集電極--發(fā)射極之間的電壓上升。而這里的電壓上升使得變壓器Np上的輸入電壓下降，更導(dǎo)致Ib下降。于是形成了正反饋，使得Tr1最終關(guān)閉。

4. Tr1關(guān)閉后如同其他反激變換器一樣，儲(chǔ)存在變壓器內(nèi)部的能量流到次級(jí)電容里，為負(fù)載供電。在變壓器內(nèi)部能量未釋放完時(shí)，基極一直被次級(jí)反射來的負(fù)電壓下拉，晶體管保持關(guān)閉。變壓器內(nèi)部能量釋放完畢后，電路工作狀態(tài)轉(zhuǎn)入第1步,形成周期性循環(huán)。

5.如果在集電極有較大電流時(shí)使用其他方法導(dǎo)致基極電流不足，也可以觸發(fā)正反饋機(jī)制關(guān)斷晶體管Tr1。這一特點(diǎn)常用于實(shí)現(xiàn)電流限制和穩(wěn)壓。（即在電流或電壓過大時(shí)減小占空比或禁止晶體管開通）2

限流、穩(wěn)壓原理基本的RCC電路天然有著限制峰值電流的特征。由于基極電阻的限流作用，基極電流無法超過Vin/Np*Nb/Rb，從而讓集電極電流在超過βIb時(shí)觸發(fā)正反饋關(guān)斷機(jī)制。 實(shí)際應(yīng)用中，這種限流是不準(zhǔn)確的，因?yàn)榫w管的β離散性很大（同種型號(hào)晶體管β可以相差4倍），并且輸入電壓Vin不固定。實(shí)際采取的大多是電流檢測(cè)電阻+NPN晶體管對(duì)基極分流的方法。圖中的R3是電流檢測(cè)電阻，當(dāng)它上面的電壓加上1N4148的導(dǎo)通壓降（約0.8V)超過8050的導(dǎo)通電壓時(shí)，8050導(dǎo)通，拉出基極電流，使得基極欠流，觸發(fā)正反饋機(jī)制從而關(guān)斷。

RCC的穩(wěn)壓是通過基極繞組的反激電壓實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)晶體管關(guān)斷，基極繞組異名端反接的的電容C2充電。C2的電壓和C3的電壓成比例Nb/Ns。當(dāng)C2的電壓超過了穩(wěn)壓管D8的齊納電壓，C2就流出電流，把基極電壓拉低，阻止或減緩晶體管導(dǎo)通，從而間接控制了C3上的輸出電壓。2

RCC電路的不穩(wěn)定性目前被普遍認(rèn)識(shí)的是RCC電路對(duì)元件、布線、生產(chǎn)工藝要求很高。使用劣質(zhì)元件、水準(zhǔn)不高的布板、變壓器繞制不恰當(dāng)都可能導(dǎo)致RCC電路無法工作，或在正常工作一段時(shí)間后失效。常見失效模式包括但不限于：

感導(dǎo)致的二次擊穿RCC最常見也最典型的失效現(xiàn)象是主開關(guān)管燒毀。大部分此類故障是由變壓器基極線圈漏感導(dǎo)致的。 變壓器基極線圈的漏感和基極串聯(lián)的電阻形成LR低通濾波電路，對(duì)電流信號(hào)有延遲作用，導(dǎo)致在集電極電壓上升時(shí)，基極電流減小的正反饋出現(xiàn)延遲。而這樣的延遲對(duì)于絕大部分雙極型開關(guān)管是致命的，它導(dǎo)致晶體管越出安全工作區(qū)，以及發(fā)熱量過大，最終導(dǎo)致不可逆的二次擊穿。

此類故障較少出現(xiàn)在使用功率MOSFET制作的RCC上，因?yàn)楣β蔒OSFET的安全工作區(qū)遠(yuǎn)大于雙極型晶體管。并且功率MOSFET為電壓控制型，開通/關(guān)斷閾值范圍窄，MOSFET較為不易出現(xiàn)同時(shí)承受大電流和高電壓的情況，即使偶爾出現(xiàn)也不會(huì)發(fā)生不可逆的失效。 曾經(jīng)有一批基于MOSFET的RCC電源常常因開關(guān)管損壞而失效，經(jīng)查證，是因?yàn)閺S家技術(shù)考慮不周，機(jī)械模仿110V地區(qū)產(chǎn)品，在220V交流線路(整流后電壓高達(dá)311V)上，使用了耐壓500V的MOSFET(型號(hào)是IRF840)。1

輸出電壓不穩(wěn)，損壞用電器另一常見的問題是輸出電壓明顯超過設(shè)計(jì)輸出電壓，導(dǎo)致負(fù)載過熱、燒毀。特別是當(dāng)負(fù)載為鋰離子電池時(shí)，輸出過高電壓極端危險(xiǎn)，可能導(dǎo)致電池內(nèi)部氣體液體泄漏甚至爆炸。 原因一是變壓器繞組間不完全耦合，存在漏感，導(dǎo)致互調(diào)整率差。在變換器處于輕載狀態(tài)，占空比小的時(shí)候，此問題更加嚴(yán)重。二是和集成芯片中包含的運(yùn)算放大器（放大倍數(shù)高達(dá)數(shù)百倍、數(shù)千倍）相比，電壓環(huán)路開環(huán)增益太小，精確穩(wěn)壓困難。

并且這兩個(gè)缺點(diǎn)幾乎是不可能同時(shí)妥善解決的。解決二次擊穿問題要求基極線圈和主線圈近繞以保持耦合良好，而解決輸出電壓不穩(wěn)的問題要求次級(jí)線圈和基極線圈近繞,又要求初次級(jí)之間數(shù)千伏的電氣隔離。在有限繞線位置的變壓器骨架下，要達(dá)到這兩個(gè)矛盾的目的，是十分困難的。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王偉 - 副教授 - 上海交通大學(xué)