解析AC-DC電源設(shè)計(jì)

表1中的規(guī)格是對(duì)全部設(shè)計(jì)要求的簡(jiǎn)單小結(jié)。主要設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：

1. 在盡可能寬的范圍上獲得最大效率。

2. 實(shí)現(xiàn)盡可能小的設(shè)計(jì)尺寸。

3. 散熱器的使用和尺寸最小化。

在盡可能寬的負(fù)載范圍上獲得最大效率需要對(duì)每一個(gè)功率水平的材料和元件選擇進(jìn)行仔細(xì)考慮，尤其是在磁性設(shè)計(jì)方面。由于交錯(cuò)式BCM PFC的頻率可能高至數(shù)百kHz，且變化多達(dá)10:1，升壓電感必需定制設(shè)計(jì)。采用適當(dāng)?shù)燃?jí)的等效多股絞合線可以盡量減小AC損耗，而AC損耗正是BCM PFC升壓電感中銅損耗的主要部分。應(yīng)該采用適合于高頻工作的開氣隙的鐵氧體材料，得的PFC效率如圖3所示。

圖3. 交錯(cuò)式BCM PFC 測(cè)得的效率 (100%=330W)。

對(duì)于300W小型 AHB變壓器，一種解決方案是采用兩個(gè)水平磁芯結(jié)構(gòu)：初級(jí)端繞組串聯(lián)，次級(jí)端繞組并聯(lián)。在一個(gè)不到20mm的小型元件上設(shè)計(jì)橫截面積150mm2的傳統(tǒng)形狀的磁芯是不可能的事情。最后一個(gè)重要設(shè)計(jì)步驟是把AHB變壓器中的漏電感量控制在允許范圍之內(nèi)。對(duì)于ZVS，需要某些特定的漏電感值，對(duì)于自驅(qū)動(dòng)SR，需要調(diào)節(jié)時(shí)序延遲。在本設(shè)計(jì)中因變壓器產(chǎn)生的有效泄漏被優(yōu)化為7μH，也就是總體有效磁性電感的1.5%。300W AHB DC-DC轉(zhuǎn)換器測(cè)得的效率結(jié)果如圖4所示。

圖4. AHB 390V to 12V/25A，DC-DC 測(cè)得的效率(100%=300W)。

滿負(fù)載效率主要由轉(zhuǎn)換器功率水平的傳導(dǎo)損耗來(lái)決定，因此，在這些條件下，幾乎沒(méi)有一種控制器有所助益。不過(guò)，要保持較高的輕載效率，倒有好幾種控制器技術(shù)可供考慮。FAN9612是一款交錯(cuò)式雙BCM PFC控制器，其利用一個(gè)內(nèi)部固定最大頻率鉗位來(lái)限制輕載下和AC輸入電壓的過(guò)零點(diǎn)附近的與頻率相關(guān)的Coss MOSFET開關(guān)損耗。在AC線電壓部分VIN>VOUT/2期間，采用谷底開關(guān)技術(shù)來(lái)感測(cè)最佳MOSFET導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)一步降低Coss電容性開關(guān)損耗。另一方面，當(dāng)VIN

圖5. PFC 相位管理 (1→2, 19%=64W ;2→1, 12%=42W)。

AHB隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)方案可采用AHB控制器FSFA2100來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種先進(jìn)的集成度讓設(shè)計(jì)人員利用較少的外部元件即可獲得高達(dá)420W的極高效率。把這三大關(guān)鍵功能整合在單個(gè)封裝中，可避免對(duì)ZVS所需的死區(qū)時(shí)間的編程任務(wù)，并把內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器與MOSFET之間的柵極驅(qū)動(dòng)寄生電感減至最小。SIP功率封裝中的功耗大部分源于內(nèi)部MOSFET的開關(guān)，因此需要一個(gè)小型擠壓式散熱器，尤其是對(duì)無(wú)強(qiáng)制空氣冷卻的300W設(shè)計(jì)。

總的AC-DC 系統(tǒng)包括輸入EMI濾波器、橋式整流器、交錯(cuò)式BCM PFC 和 AHB DC-DC，它獲得的總體效率如圖6所示。在Vin=120VAC時(shí)，該設(shè)計(jì)峰值效率為91%;Vin=230VAC 時(shí)為92% ;Vin=120VAC 或 230VAC ，以及POUT>38% (114W)時(shí)，大于90%。

圖6. 測(cè)得的總體系統(tǒng)效率(包含了EMI濾波器)。

磁性元件設(shè)計(jì)、功率半導(dǎo)體選擇、PCB版圖、散熱器選擇以及控制器特性，所有這些都必須完全協(xié)同工作，才能成功實(shí)現(xiàn)一個(gè)在大負(fù)載范圍上可獲得高效率的小型AC-DC電源設(shè)計(jì)。對(duì)于一個(gè)特定應(yīng)用，根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，可能有一個(gè)以上的理想解決方案。