解析AC-DC電源設計

即使是對經(jīng)驗最豐富的電源設計人員來(lái)說(shuō)，要在一個(gè)小體積內實(shí)現電源效率最大化也不是一件容易的事。需要小型電源設計的設備有很多，在給定時(shí)間內，這類(lèi)設備可能需要為負載提供數百瓦的功率。對于高度限制小于1U的系統，強制空氣冷卻也許不可行，這意味著(zhù)必須采用成本高昂的大表面積薄型散熱器來(lái)實(shí)現散熱管理。

AC/DC電源就是輸入為交流，輸出為直流的電源模塊。其中在這模塊內部包含有整流濾波電路，降壓電路和穩壓電路。在A(yíng)C/DC電源轉換應用中，要求有較寬的輸入范圍，通常要求：85V~265V的交流輸入，輸出電源轉換效率要求高，同時(shí)能有效提高節能性能，滿(mǎn)負載效率在A(yíng)C/DC電源設計中是一項主要考慮因素。提高AC/DC轉換器效率，實(shí)現更好的節能性能的方法，是綠色能源的倡導。

在大多數情況下，工作在這些功率水平的AC-DC電源需要某些類(lèi)型的有源功率因數校正(PFC)。將功率半導體直接焊接到PCB板上然后再粘貼到底盤(pán)上，而不是使之絕緣并把它們用螺栓固定到底盤(pán)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備連接處溫度約10攝氏度，從而可將平均無(wú)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(xiàn)升壓預轉換器用作PFC級，其DC輸出電壓作為下游隔離DC-DC轉換器的輸入。由于這兩個(gè)轉換器是彼此串聯(lián)的，故總體系統效率ηSYS為每個(gè)轉換器的效率的乘積：

(1)

由式(1)顯然可見(jiàn)，一種具有眾多高效特性的系統解決方案是結合交錯式雙臨界傳導模式(BCM) PFC與隔離式DC-DC轉換器，其中，前者后面跟著(zhù)不對稱(chēng)半橋(AHB)，后者采用了帶自驅動(dòng)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轉換器，應該考慮選擇交錯式臨界傳導模式(BCM) PFC，因為在相似的功率水平下，它的效率要高于連續傳導模式(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(gè)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(jiàn)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為流經(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(lài)于A(yíng)C線(xiàn)的零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)下關(guān)斷，在零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)下導通，故可以進(jìn)一步提高效率。對于350W的交錯式BCM PFC設計，MOSFET散熱器可去掉，如圖1所示。另一方面，CCM PFC設計中使用的升壓MOSFET則易受與頻率相關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗的影響，而開(kāi)關(guān)損耗與輸入電流及線(xiàn)電壓成比例。通過(guò)在零電流時(shí)關(guān)斷交錯式BCM升壓二極管，可避免反向恢復損耗，從而允許使用成本低廉的快速恢復整流二極管，而且在某些情況下可以無(wú)需散熱器。PFC轉換器工作時(shí)的固有特點(diǎn)是：輸出電壓調節采用電壓型PWM控制時(shí)9穩態(tài)占空比Du為常數(即導通時(shí)間Ton為常數)，輸人電流接近于正弦波。因此，控制電路中無(wú)須乘法器和電流控制，就可以實(shí)現功率因數校正。

對于隔離式DC-DC轉換器設計，半橋是一個(gè)很好的拓撲選擇，因為它有兩個(gè)互補驅動(dòng)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(guò)可變頻率控制技術(shù)，利用與功率水平設計相關(guān)的寄生元素來(lái)實(shí)現ZVS。不過(guò)，由于經(jīng)調節的DC輸出只使用電容濾波，這種拓撲最適合的是輸出紋波較低、輸出電壓較高的應用。

AHB主要用于高性能模塊(如CPU、DMA和DSP等)之間的連接，作為SoC的片上系統總線(xiàn)，它包括以下一些特性：?jiǎn)蝹€(gè)時(shí)鐘邊沿操作;非三態(tài)的實(shí)現方式;支持突發(fā)傳輸;支持分段傳輸;支持多個(gè)主控制器;可配置32位~128位總線(xiàn)寬度;支持字節、半字節和字的傳輸。AHB 系統由主模塊、從模塊和基礎結構 AHBInfrastructure)3部分組成，整個(gè)AHB總線(xiàn)上的傳輸都由主模塊發(fā)出，由從模塊負責回應?；A結構則由仲裁器、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(gè)初級MOSFET的ZVS提供必要條件。類(lèi)似于LLC，利用AHB實(shí)現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(jiǎn)化次級端自驅動(dòng)同步整流(SR)的任務(wù)。自驅動(dòng)SR的柵極驅動(dòng)電壓很容易由變壓器次級端推算出來(lái)。增加一個(gè)低端MOSFET驅動(dòng)器，比如圖2所示的雙路4A FAN3224驅動(dòng)器，就可以精確給出通過(guò)MOSFST米勒平坦區的電平轉換和高峰值驅動(dòng)電流。

圖2. FAN3224，利用 倍流整流器實(shí)現自驅動(dòng)同步整流(SR)。

這種倍流整流器可用于任何雙端電源拓撲和大DC電流應用，它具有好幾個(gè)突出的特性。首先，其次級端由一個(gè)簡(jiǎn)單繞組構成，可簡(jiǎn)化變壓器結構。其次，由于所需的輸出電感被分配在兩個(gè)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，兩個(gè)電感紋波電流彼此抵消。抵消掉的兩個(gè)電感電流之和擁有兩倍于開(kāi)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(chēng)可能是AHB的缺點(diǎn)之一。當 AHB在其限值D=0.5附近工作時(shí)，加載的SR電壓幾乎可達到匹配 。然而，更合理的方案是，通過(guò)對變壓器的匝數比進(jìn)行設計，使D在額定工作期間保持在0.25

調節器之后是一個(gè)帶自驅動(dòng)SR的不對稱(chēng)半橋DC-DC轉換器，如圖1所示。

表1. 小型AC-DC電源設計規格。