深度解析AC-DC電源設(shè)計(jì)
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即使是對經(jīng)驗(yàn)最豐富的電源設(shè)計(jì)人員來說，要在一個(gè)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(jì)的設(shè)備有很多，在給定時(shí)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(shí)能有效提高節(jié)能性能，滿負(fù)載效率在AC/DC電源設(shè)計(jì)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(gè)組裝成本將會(huì)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(shí)間間隔大約增加一倍。對于AC-DC電源，一般把一個(gè)非隔離離線升壓預(yù)轉(zhuǎn)換器用作PFC級(jí)，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(gè)轉(zhuǎn)換器是彼此串聯(lián)的，故總體系統(tǒng)效率ηSYS為每個(gè)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(cuò)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(dòng)同步整流器的倍流整流器次級(jí)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(cuò)式臨界傳導(dǎo)模式(BCM) PFC，因?yàn)樵谙嗨频墓β仕较?，它的效率要高于連續(xù)傳導(dǎo)模式(CCM) PFC控制技術(shù)。交錯(cuò)式BCM PFC基于一種可變頻率控制算法，在這種算法中，兩個(gè)PFC升壓功率級(jí)彼此同步180度錯(cuò)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(cuò)式BCM PFC設(shè)計(jì)，MOSFET散熱器可去掉，如圖1所示。另一方面，CCM PFC設(shè)計(jì)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(shí)關(guān)斷交錯(cuò)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(shí)的固有特點(diǎn)是：輸出電壓調(diào)節(jié)采用電壓型PWM控制時(shí)9穩(wěn)態(tài)占空比Du為常數(shù)(即導(dǎo)通時(shí)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(jì)，半橋是一個(gè)很好的拓?fù)溥x擇，因?yàn)樗袃蓚€(gè)互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)的初級(jí)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(jì)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(gè)時(shí)鐘邊沿操作;非三態(tài)
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