解析AC-DC電源設(shè)計

即使是對經(jīng)驗(yàn)最豐富的電源設(shè)計人員來說，要在一個小體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)電源效率最大化也不是一件容易的事。需要小型電源設(shè)計的設(shè)備有很多，在給定時間內(nèi)，這類設(shè)備可能需要為負(fù)載提供數(shù)百瓦的功率。對于高度限制小于1U的系統(tǒng)，強(qiáng)制空氣冷卻也許不可行，這意味著必須采用成本高昂的大表面積薄型散熱器來實(shí)現(xiàn)散熱管理。

AC/DC電源就是輸入為交流，輸出為直流的電源模塊。其中在這模塊內(nèi)部包含有整流濾波電路，降壓電路和穩(wěn)壓電路。在AC/DC電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，要求有較寬的輸入范圍，通常要求：85V~265V的交流輸入，輸出電源轉(zhuǎn)換效率要求高，同時能有效提高節(jié)能性能，滿負(fù)載效率在AC/DC電源設(shè)計中是一項(xiàng)主要考慮因素。提高AC/DC轉(zhuǎn)換器效率，實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能性能的方法，是綠色能源的倡導(dǎo)。

在大多數(shù)情況下，工作在這些功率水平的AC-DC電源需要某些類型的有源功率因數(shù)校正(PFC)。將功率半導(dǎo)體直接焊接到PCB板上然后再粘貼到底盤上，而不是使之絕緣并把它們用螺栓固定到底盤上?？紤]到熱粘貼材料的成本，整個組裝成本將會下降。這也減少了電源的尺寸并減少了設(shè)備連接處溫度約10攝氏度，從而可將平均無故障時間間隔大約增加一倍。對于AC-DC電源，一般把一個非隔離離線升壓預(yù)轉(zhuǎn)換器用作PFC級，其DC輸出電壓作為下游隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入。由于這兩個轉(zhuǎn)換器是彼此串聯(lián)的，故總體系統(tǒng)效率ηSYS為每個轉(zhuǎn)換器的效率的乘積：

(1)

由式(1)顯然可見，一種具有眾多高效特性的系統(tǒng)解決方案是結(jié)合交錯式雙臨界傳導(dǎo)模式(BCM) PFC與隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，其中，前者后面跟著不對稱半橋(AHB)，后者采用了帶自驅(qū)動同步整流器的倍流整流器次級端。

圖1. 12V、300W、小型通用 AC-DC電源。

對于300W-1kW范圍的PFC轉(zhuǎn)換器，應(yīng)該考慮選擇交錯式臨界傳導(dǎo)模式(BCM) PFC，因?yàn)樵谙嗨频墓β仕较拢男室哂谶B續(xù)傳導(dǎo)模式(CCM) PFC控制技術(shù)。交錯式BCM PFC基于一種可變頻率控制算法，在這種算法中，兩個PFC升壓功率級彼此同步180度錯相。由于具備有效的電感紋波電流消除，EMI濾波器和PFC輸出電容中常見的高峰值電流得以減小。輸出PFC大電容受益于紋波電流消除是因?yàn)榱鹘?jīng)等效串聯(lián)電阻(ESR)的AC RMS電流減小。另外，由于升壓MOSFET在依賴于AC線的零電壓開關(guān)(ZVS)下關(guān)斷，在零電流開關(guān)(ZCS)下導(dǎo)通，故可以進(jìn)一步提高效率。對于350W的交錯式BCM PFC設(shè)計，MOSFET散熱器可去掉，如圖1所示。另一方面，CCM PFC設(shè)計中使用的升壓MOSFET則易受與頻率相關(guān)的開關(guān)損耗的影響，而開關(guān)損耗與輸入電流及線電壓成比例。通過在零電流時關(guān)斷交錯式BCM升壓二極管，可避免反向恢復(fù)損耗，從而允許使用成本低廉的快速恢復(fù)整流二極管，而且在某些情況下可以無需散熱器。PFC轉(zhuǎn)換器工作時的固有特點(diǎn)是：輸出電壓調(diào)節(jié)采用電壓型PWM控制時9穩(wěn)態(tài)占空比Du為常數(shù)(即導(dǎo)通時間Ton為常數(shù))，輸人電流接近于正弦波。因此，控制電路中無須乘法器和電流控制，就可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。

對于隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計，半橋是一個很好的拓?fù)溥x擇，因?yàn)樗袃蓚€互補(bǔ)驅(qū)動的初級端MOSFET，且最大漏源電壓受限于所加的DC輸入電壓。LLC通過可變頻率控制技術(shù)，利用與功率水平設(shè)計相關(guān)的寄生元素來實(shí)現(xiàn)ZVS。不過，由于經(jīng)調(diào)節(jié)的DC輸出只使用電容濾波，這種拓?fù)渥钸m合的是輸出紋波較低、輸出電壓較高的應(yīng)用。

AHB主要用于高性能模塊(如CPU、DMA和DSP等)之間的連接，作為SoC的片上系統(tǒng)總線，它包括以下一些特性：單個時鐘邊沿操作;非三態(tài)的實(shí)現(xiàn)方式;支持突發(fā)傳輸;支持分段傳輸;支持多個主控制器;可配置32位~128位總線寬度;支持字節(jié)、半字節(jié)和字的傳輸。AHB 系統(tǒng)由主模塊、從模塊和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) AHBInfrastructure)3部分組成，整個AHB總線上的傳輸都由主模塊發(fā)出，由從模塊負(fù)責(zé)回應(yīng)?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)則由仲裁器、主模塊到從模塊的多路器、從模塊到主模塊的多路器、譯碼器(decoder)、虛擬從模塊(dummy Slave)、虛擬主模塊(dummy Master)所組成。

對于300W, 12V DC-DC轉(zhuǎn)換器，AHB是一種高效的選擇。由于初級電流滯后于變壓器的初級電壓，故可為兩個初級MOSFET的ZVS提供必要條件。類似于LLC，利用AHB實(shí)現(xiàn)ZVS的能力也取決于對電路寄生元素的透徹了解，比如變壓器漏電感、匝間電容和分立式器件的結(jié)電容。相比LLC控制中采用的可變頻率控制方法，固定頻率方案可以大大簡化次級端自驅(qū)動同步整流(SR)的任務(wù)。自驅(qū)動SR的柵極驅(qū)動電壓很容易由變壓器次級端推算出來。增加一個低端MOSFET驅(qū)動器，比如圖2所示的雙路4A FAN3224驅(qū)動器，就可以精確給出通過MOSFST米勒平坦區(qū)的電平轉(zhuǎn)換和高峰值驅(qū)動電流。

圖2. FAN3224，利用 倍流整流器實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動同步整流(SR)。

這種倍流整流器可用于任何雙端電源拓?fù)浜痛驞C電流應(yīng)用，它具有好幾個突出的特性。首先，其次級端由一個簡單繞組構(gòu)成，可簡化變壓器結(jié)構(gòu)。其次，由于所需的輸出電感被分配在兩個電感器上，因大電流流入次級端而產(chǎn)生的功耗得到更有效的分布。第三，作為占空比(D)的函數(shù)，兩個電感紋波電流彼此抵消。抵消掉的兩個電感電流之和擁有兩倍于開關(guān)頻率的視在頻率(apparent frequency)，故允許更高的頻率，此外流入輸出電感的峰值電流更低。

加在次級端整流器上的電壓不對稱可能是AHB的缺點(diǎn)之一。當(dāng) AHB在其限值D=0.5附近工作時，加載的SR電壓幾乎可達(dá)到匹配 。然而，更合理的方案是，通過對變壓器的匝數(shù)比進(jìn)行設(shè)計，使D在額定工作期間保持在0.25

調(diào)節(jié)器之后是一個帶自驅(qū)動SR的不對稱半橋DC-DC轉(zhuǎn)換器，如圖1所示。

表1. 小型AC-DC電源設(shè)計規(guī)格。