【導(dǎo)讀】電源在降低功耗上舉足輕重,因此面對(duì)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和消費(fèi)者的更高要求時(shí),重新檢討其設(shè)計(jì)方式就顯得非常急迫。雖然可以改進(jìn)傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到更高效能要求,但可以明顯地看出,沿用舊式設(shè)計(jì)方式的產(chǎn)品,其性價(jià)比將會(huì)低。在本文中,我們將提出兩個(gè)能符合更高效能要求,并可控制目標(biāo)成本的設(shè)計(jì)方式,并將之和傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。
傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
為特定應(yīng)用選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)有幾個(gè)考慮因素,包括輸入電壓范圍是全球通用還是只針對(duì)特定地區(qū),輸出電壓是單一還是多重(電流大小也是重要的條件),效能目標(biāo),特別是在不同負(fù)載下的效能表現(xiàn)。傳統(tǒng)上,在大批量生產(chǎn)電源時(shí)多以成本,設(shè)計(jì)工程師對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的熟悉度以及元件是否容易采購(gòu)為考慮因素,其他因素還包括設(shè)計(jì)是否容易實(shí)現(xiàn)和設(shè)計(jì)方式是否在電源產(chǎn)業(yè)鏈中為大家所熟知等。
較受歡迎的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式主要為單開(kāi)關(guān)正向、雙開(kāi)關(guān)正向和半橋結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)提供了滿足目前需求的穩(wěn)固解決方案。不過(guò)如上所述,新興的標(biāo)準(zhǔn)需要電源能夠達(dá)成比先前更高的效能。過(guò)去,典型的臺(tái)式電腦電源可以達(dá)到60%~70%的最高效能,但現(xiàn)在則要求電源在額定負(fù)載的20%、50%和100%時(shí)都能達(dá)到最低80%的效能。同時(shí),最近更出現(xiàn)了希望能夠在低于20%負(fù)載時(shí)達(dá)到70%或以上效能的趨勢(shì),且待機(jī)功耗能夠持續(xù)下降。我們將探討三種傳統(tǒng)拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn),并介紹兩種新型的拓?fù)洹?br />
單開(kāi)關(guān)正向
圖1中的這個(gè)拓?fù)湎喈?dāng)受到歡迎,主要原因是元件數(shù)少且設(shè)計(jì)要求簡(jiǎn)單,但對(duì)于不同負(fù)載情況的高效能要求卻為這個(gè)拓?fù)鋷?lái)新挑戰(zhàn)。在接近滿載或滿載時(shí),這個(gè)拓?fù)涞男苁艿?0%占空比的限制。而在較輕負(fù)載時(shí),開(kāi)關(guān)耗損是造成效能不佳的主要原因。許多較新的設(shè)計(jì)采用功率因數(shù)校正(PFC)前端來(lái)降低諧波電流,在400 V的PFC輸出電壓下,單開(kāi)關(guān)正向方式被迫使用大于900 V的開(kāi)關(guān),提高了FET的成本。
圖1:?jiǎn)伍_(kāi)關(guān)正向拓補(bǔ)
雙開(kāi)關(guān)正向
圖2是另一個(gè)使用相當(dāng)普遍的拓?fù)洌墙鉀Q開(kāi)關(guān)電壓限制問(wèn)題的升級(jí)版本。這依舊是一個(gè)會(huì)有高開(kāi)關(guān)耗損的硬開(kāi)關(guān)電路。其所帶來(lái)的問(wèn)題是需要使用門(mén)極驅(qū)動(dòng)變壓器或芯片驅(qū)動(dòng)電路來(lái)推動(dòng)高電壓端MOSFET。
圖2 :雙開(kāi)關(guān)正向拓補(bǔ)
半橋
圖3中的半橋變壓器是高功率要求的另一個(gè)選擇。和單開(kāi)關(guān)或雙開(kāi)關(guān)正向變壓器相反,半橋變壓器可以在兩個(gè)象限工作并降低原邊FET的電流。變壓器組成結(jié)構(gòu)和輸出整流比單一正向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜,也存在高開(kāi)關(guān)耗損問(wèn)題。
圖3:半橋拓補(bǔ)電路結(jié)構(gòu)
新興拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
為了符合更高效能的要求,業(yè)界已開(kāi)發(fā)了數(shù)種新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些新電路拓?fù)洳灰欢ㄊ侵感掳l(fā)明,而是新近在商業(yè)大批量應(yīng)用的。其中,兩種最受重視的拓?fù)浞謩e為有源鉗位正激和雙電感加電容(LLC)。
有源鉗位正激
圖4中的有源鉗位正激拓?fù)涫且粋€(gè)存在已久的軟開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu),雖然這種結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的正向式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類似,但過(guò)去一直被視為是難以實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu),因此主要應(yīng)用在特殊領(lǐng)域,比如電信領(lǐng)域。不過(guò),隨著新IC的推出,這種結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)變得非常簡(jiǎn)單。
圖4 :采用安森美半導(dǎo)體NCP1562的有源鉗位正激拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)
在這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,變壓器在主開(kāi)關(guān)的整個(gè)關(guān)閉時(shí)間內(nèi)通過(guò)附屬開(kāi)關(guān)串行的電容進(jìn)行復(fù)位,這樣做可以消除單開(kāi)關(guān)正向結(jié)構(gòu)中的無(wú)效時(shí)間。它的主要優(yōu)點(diǎn)包括低開(kāi)關(guān)耗損,可在50%以上占空比工作,降低了原邊開(kāi)關(guān)的電流應(yīng)力。同時(shí),這個(gè)結(jié)構(gòu)也提供了自驅(qū)動(dòng)同步整流功能,省去了專用門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路。加之低電壓MOSFET越來(lái)越低的價(jià)格,采用MOSFET和同步整流已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)低輸出電壓高電流整流的可行方案。
使用有源鉗位器件和進(jìn)行有源鉗位FET的控制雖然看起來(lái)會(huì)增加電路的復(fù)雜度,但卻可以通過(guò)節(jié)省緩沖電路、復(fù)位電路和較低整體開(kāi)關(guān)要求加以補(bǔ)償。這個(gè)結(jié)構(gòu)也能夠在寬廣的輸入電壓范圍下工作,因而適合多種應(yīng)用,包括電視游戲機(jī)。
這個(gè)結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是沒(méi)有大批量應(yīng)用,比如在計(jì)算機(jī)中,因此一般臺(tái)式機(jī)的設(shè)計(jì)工程師對(duì)它感到陌生。不過(guò)隨著像安森美半導(dǎo)體等公司不斷推出產(chǎn)品,這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)難度已經(jīng)降低了。在較大批量應(yīng)用中采用這個(gè)結(jié)構(gòu)也能夠降低采用元件的成本。這個(gè)拓?fù)涞牧硪蝗秉c(diǎn)是,和雙開(kāi)關(guān)正向或半橋變壓器比較,需要較高額定電壓的開(kāi)關(guān)。
LLC諧振半橋
圖5中的LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特別適用需要高輸出電壓的場(chǎng)合,如液晶和等離子電視等應(yīng)用。
圖5:LLC諧振半橋拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)
和有源鉗位拓?fù)湟粯?,這也是一款因超低開(kāi)關(guān)耗損達(dá)到超高效能的軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其他優(yōu)點(diǎn)還包括不需輸出電感,因此可以降低實(shí)現(xiàn)的整體成本。最后,由于采用半橋配置,可以降低原邊元件的壓力。
另一方面,這個(gè)結(jié)構(gòu)也有一些缺點(diǎn),最主要的是增加了復(fù)雜的磁性設(shè)計(jì),輸出電容上的高紋波電流和可變頻率。同時(shí),這個(gè)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)較寬輸入電壓范圍上也比較困難。
各式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的比較
雖然我們無(wú)法采用單一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為所有應(yīng)用的解決方案,但卻可以依具體情況來(lái)決定采用何種電路結(jié)構(gòu)。在這里,我們使用12V、20A輸出的變壓器設(shè)計(jì)來(lái)比較以上所述各式結(jié)構(gòu)的差異,比較重點(diǎn)放在主要的設(shè)計(jì)問(wèn)題,如原邊開(kāi)關(guān)、整流器、磁性、存儲(chǔ)電容等。雖然還有其他差異點(diǎn),但不在本文的討論范圍內(nèi)。各式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的差異結(jié)構(gòu)總結(jié)如下。
表1:不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的差異總結(jié)
● 原邊開(kāi)關(guān):在300~400Vdc的輸入電壓范圍,有源鉗位變壓器的原邊峰值電流最低,單開(kāi)關(guān)和雙開(kāi)關(guān)正向拓?fù)鋭t擁有和有源鉗位類似的RMS電流,但卻因MOSFET額定電壓而會(huì)有較大的導(dǎo)電耗損。
● 諧振半橋變壓器的直流次級(jí)整流器電壓應(yīng)力最低,接著是有源鉗位,然后是單開(kāi)關(guān)和雙開(kāi)關(guān)正向變壓器。由于開(kāi)關(guān)突波的關(guān)系,傳統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)上的壓力更高。
● 保持時(shí)間要求可以通過(guò)增大電容容值或變壓器輸入范圍來(lái)達(dá)到。
● 在磁性方面,諧振半橋通過(guò)移除輸出電感提供明顯的簡(jiǎn)化,不過(guò)在變壓器設(shè)計(jì)上則會(huì)有相當(dāng)高的挑戰(zhàn)性。和傳統(tǒng)正向變壓器比較,有源鉗位變壓器在相同頻率下的輸出電感可以減小約13%。
● 諧振半橋變壓器由于沒(méi)有輸出電感,因此輸出電容電流紋波最高。
● 有源鉗位正激變壓器的開(kāi)關(guān)頻率可以推升到更高(200~300kHz),硬開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則在150kHz以下。諧振半橋是一個(gè)可變頻率的變壓器,在滿載低電源電壓時(shí),其最低頻率通常設(shè)定在60~70kHz;高電源電壓輕載工作時(shí),最高頻率可以達(dá)到數(shù)百kHz。