符合更高效能要求,並可控製目標成本的電源設計
發布時間:2013-01-04 責任編輯:Lynnjiao
【導讀】電(dian)源(yuan)在(zai)降(jiang)低(di)功(gong)耗(hao)上(shang)舉(ju)足(zu)輕(qing)重(zhong),因(yin)此(ci)麵(mian)對(dui)法(fa)規(gui)標(biao)準(zhun)和(he)消(xiao)費(fei)者(zhe)的(de)更(geng)高(gao)要(yao)求(qiu)時(shi),重(zhong)新(xin)檢(jian)討(tao)其(qi)設(she)計(ji)方(fang)式(shi)就(jiu)顯(xian)得(de)非(fei)常(chang)急(ji)迫(po)。雖(sui)然(ran)可(ke)以(yi)改(gai)進(jin)傳(chuan)統(tong)的(de)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)來(lai)達(da)到(dao)更(geng)高(gao)效(xiao)能(neng)要(yao)求(qiu),但(dan)可(ke)以(yi)明(ming)顯(xian)地(di)看(kan)出(chu),沿(yan)用(yong)舊(jiu)式(shi)設(she)計(ji)方(fang)式(shi)的(de)產(chan)品(pin),其(qi)性(xing)價(jia)比(bi)將(jiang)會(hui)低(di)。在(zai)本(ben)文(wen)中(zhong),我(wo)們(men)將(jiang)提(ti)出(chu)兩(liang)個(ge)能(neng)符(fu)合(he)更(geng)高(gao)效(xiao)能(neng)要(yao)求(qiu),並(bing)可(ke)控(kong)製(zhi)目(mu)標(biao)成(cheng)本(ben)的(de)設(she)計(ji)方(fang)式(shi),並(bing)將(jiang)之(zhi)和(he)傳(chuan)統(tong)的(de)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)進(jin)行(xing)比(bi)較(jiao)。
傳統的拓撲結構
為特定應用選擇拓撲結構時有幾個考慮因素,包括輸入電壓範圍是全球通用還是隻針對特定地區,輸出電壓是單一還是多重(電流大小也是重要的條件),xiaonengmubiao,tebieshizaibutongfuzaixiadexiaonengbiaoxian。chuantongshang,zaidapiliangshengchandianyuanshiduoyichengben,shejigongchengshiduituopujiegoudeshuxiduyijiyuanjianshifourongyicaigouweikaolvyinsu,qitayinsuhaibaokuoshejishifourongyishixianheshejifangshishifouzaidianyuanchanyelianzhongweidajiasuoshuzhideng。
較受歡迎的傳統設計方式主要為單開關正向、雙shuang開kai關guan正zheng向xiang和he半ban橋qiao結jie構gou,這zhe些xie結jie構gou提ti供gong了le滿man足zu目mu前qian需xu求qiu的de穩wen固gu解jie決jue方fang案an。不bu過guo如ru上shang所suo述shu,新xin興xing的de標biao準zhun需xu要yao電dian源yuan能neng夠gou達da成cheng比bi先xian前qian更geng高gao的de效xiao能neng。過guo去qu,典dian型xing的de台tai式shi電dian腦nao電dian源yuan可ke以yi達da到dao60%~70%的最高效能,但現在則要求電源在額定負載的20%、50%和100%時都能達到最低80%的效能。同時,最近更出現了希望能夠在低於20%負載時達到70%或以上效能的趨勢,且待機功耗能夠持續下降。我們將探討三種傳統拓撲的優缺點,並介紹兩種新型的拓撲。
單開關正向
圖1中zhong的de這zhe個ge拓tuo撲pu相xiang當dang受shou到dao歡huan迎ying,主zhu要yao原yuan因yin是shi元yuan件jian數shu少shao且qie設she計ji要yao求qiu簡jian單dan,但dan對dui於yu不bu同tong負fu載zai情qing況kuang的de高gao效xiao能neng要yao求qiu卻que為wei這zhe個ge拓tuo撲pu帶dai來lai新xin挑tiao戰zhan。在zai接jie近jin滿man載zai或huo滿man載zai時shi,這zhe個ge拓tuo撲pu的de效xiao能neng受shou到dao50%占空比的限製。而在較輕負載時,開關耗損是造成效能不佳的主要原因。許多較新的設計采用功率因數校正(PFC)前端來降低諧波電流,在400 V的PFC輸出電壓下,單開關正向方式被迫使用大於900 V的開關,提高了FET的成本。

圖1:單開關正向拓補
雙開關正向
圖2shilingyigeshiyongxiangdangpubiandetuopu,tashijiejuekaiguandianyaxianzhiwentideshengjibanben。zheyijiushiyigehuiyougaokaiguanhaosundeyingkaiguandianlu。qisuodailaidewentishixuyaoshiyongmenjiqudongbianyaqihuoxinpianqudongdianlulaituidonggaodianyaduanMOSFET。

圖2 :雙開關正向拓補
半橋
圖3中的半橋變壓器是高功率要求的另一個選擇。和單開關或雙開關正向變壓器相反,半橋變壓器可以在兩個象限工作並降低原邊FET的電流。變壓器組成結構和輸出整流比單一正向拓撲結構複雜,也存在高開關耗損問題。

圖3:半橋拓補電路結構
新興拓撲結構
weilefuhegenggaoxiaonengdeyaoqiu,yejieyikaifaleshuzhongxindetuopujiegou。zhexiexindianlutuopubuyidingshizhixinfaming,ershixinjinzaishangyedapiliangyingyongde。qizhong,liangzhongzuishouzhongshidetuopufenbieweiyouyuanqianweizhengjiheshuangdianganjiadianrong(LLC)。
有源鉗位正激
圖4中(zhong)的(de)有(you)源(yuan)鉗(qian)位(wei)正(zheng)激(ji)拓(tuo)撲(pu)是(shi)一(yi)個(ge)存(cun)在(zai)已(yi)久(jiu)的(de)軟(ruan)開(kai)關(guan)結(jie)構(gou),雖(sui)然(ran)這(zhe)種(zhong)結(jie)構(gou)和(he)傳(chuan)統(tong)的(de)正(zheng)向(xiang)式(shi)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)類(lei)似(si),但(dan)過(guo)去(qu)一(yi)直(zhi)被(bei)視(shi)為(wei)是(shi)難(nan)以(yi)實(shi)現(xian)的(de)結(jie)構(gou),因(yin)此(ci)主(zhu)要(yao)應(ying)用(yong)在(zai)特(te)殊(shu)領(ling)域(yu),比(bi)如(ru)電(dian)信(xin)領(ling)域(yu)。不(bu)過(guo),隨(sui)著(zhe)新(xin)IC的推出,這種結構的實現變得非常簡單。

圖4 :采用安森美半導體NCP1562的有源鉗位正激拓補結構
在zai這zhe個ge拓tuo撲pu結jie構gou中zhong,變bian壓ya器qi在zai主zhu開kai關guan的de整zheng個ge關guan閉bi時shi間jian內nei通tong過guo附fu屬shu開kai關guan串chuan行xing的de電dian容rong進jin行xing複fu位wei,這zhe樣yang做zuo可ke以yi消xiao除chu單dan開kai關guan正zheng向xiang結jie構gou中zhong的de無wu效xiao時shi間jian。它ta的de主zhu要yao優you點dian包bao括kuo低di開kai關guan耗hao損sun,可ke在zai50%以上占空比工作,降低了原邊開關的電流應力。同時,這個結構也提供了自驅動同步整流功能,省去了專用門極驅動電路。加之低電壓MOSFET越來越低的價格,采用MOSFET和同步整流已經成為實現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行有源鉗位FET的控製雖然看起來會增加電路的複雜度,但卻可以通過節省緩衝電路、複位電路和較低整體開關要求加以補償。這個結構也能夠在寬廣的輸入電壓範圍下工作,因而適合多種應用,包括電視遊戲機。
這zhe個ge結jie構gou的de主zhu要yao缺que點dian是shi沒mei有you大da批pi量liang應ying用yong,比bi如ru在zai計ji算suan機ji中zhong,因yin此ci一yi般ban台tai式shi機ji的de設she計ji工gong程cheng師shi對dui它ta感gan到dao陌mo生sheng。不bu過guo隨sui著zhe像xiang安an森sen美mei半ban導dao體ti等deng公gong司si不bu斷duan推tui出chu產chan品pin,這zhe個ge拓tuo撲pu結jie構gou的de實shi現xian難nan度du已yi經jing降jiang低di了le。在zai較jiao大da批pi量liang應ying用yong中zhong采cai用yong這zhe個ge結jie構gou也ye能neng夠gou降jiang低di采cai用yong元yuan件jian的de成cheng本ben。這zhe個ge拓tuo撲pu的de另ling一yi缺que點dian是shi,和he雙shuang開kai關guan正zheng向xiang或huo半ban橋qiao變bian壓ya器qi比bi較jiao,需xu要yao較jiao高gao額e定ding電dian壓ya的de開kai關guan。
LLC諧振半橋
圖5中的LLC拓撲結構特別適用需要高輸出電壓的場合,如液晶和等離子電視等應用。

圖5:LLC諧振半橋拓補結構
heyouyuanqianweituopuyiyang,zheyeshiyikuanyinchaodikaiguanhaosundadaochaogaoxiaonengderuankaiguantuopujiegou。qitayoudianhaibaokuobuxushuchudiangan,yincikeyijiangdishixiandezhengtichengben。zuihou,youyucaiyongbanqiaopeizhi,keyijiangdiyuanbianyuanjiandeyali。
另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian),這(zhe)個(ge)結(jie)構(gou)也(ye)有(you)一(yi)些(xie)缺(que)點(dian),最(zui)主(zhu)要(yao)的(de)是(shi)增(zeng)加(jia)了(le)複(fu)雜(za)的(de)磁(ci)性(xing)設(she)計(ji),輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)上(shang)的(de)高(gao)紋(wen)波(bo)電(dian)流(liu)和(he)可(ke)變(bian)頻(pin)率(lv)。同(tong)時(shi),這(zhe)個(ge)結(jie)構(gou)在(zai)設(she)計(ji)較(jiao)寬(kuan)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)範(fan)圍(wei)上(shang)也(ye)比(bi)較(jiao)困(kun)難(nan)。
各式拓撲結構的比較
雖然我們無法采用單一拓撲結構作為所有應用的解決方案,但卻可以依具體情況來決定采用何種電路結構。在這裏,我們使用12V、20A輸出的變壓器設計來比較以上所述各式結構的差異,比較重點放在主要的設計問題,如原邊開關、整流器、磁性、存儲電容等。雖然還有其他差異點,但不在本文的討論範圍內。各式拓撲結構的差異結構總結如下。
表1:不同拓撲結構的差異總結

● 原邊開關:在300~400Vdc的輸入電壓範圍,有源鉗位變壓器的原邊峰值電流最低,單開關和雙開關正向拓撲則擁有和有源鉗位類似的RMS電流,但卻因MOSFET額定電壓而會有較大的導電耗損。
● 諧xie振zhen半ban橋qiao變bian壓ya器qi的de直zhi流liu次ci級ji整zheng流liu器qi電dian壓ya應ying力li最zui低di,接jie著zhe是shi有you源yuan鉗qian位wei,然ran後hou是shi單dan開kai關guan和he雙shuang開kai關guan正zheng向xiang變bian壓ya器qi。由you於yu開kai關guan突tu波bo的de關guan係xi,傳chuan統tong電dian路lu結jie構gou上shang的de壓ya力li更geng高gao。
● 保持時間要求可以通過增大電容容值或變壓器輸入範圍來達到。
● zaicixingfangmian,xiezhenbanqiaotongguoyichushuchudiangantigongmingxiandejianhua,buguozaibianyaqishejishangzehuiyouxiangdanggaodetiaozhanxing。hechuantongzhengxiangbianyaqibijiao,youyuanqianweibianyaqizaixiangtongpinlvxiadeshuchudiangankeyijianxiaoyue13%。
● 諧振半橋變壓器由於沒有輸出電感,因此輸出電容電流紋波最高。
● 有源鉗位正激變壓器的開關頻率可以推升到更高(200~300kHz),硬開關拓撲結構則在150kHz以下。諧振半橋是一個可變頻率的變壓器,在滿載低電源電壓時,其最低頻率通常設定在60~70kHz;高電源電壓輕載工作時,最高頻率可以達到數百kHz。
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