延長(cháng)導通時(shí)間可減小輸入電容容量

簡(jiǎn)介

基于微處理器的器件需要使用穩壓電源(UPS)以檢測輸入功率損耗和繼續在完成內存備份(即將關(guān)鍵數據寫(xiě)入非易失性存儲器)的時(shí)間內進(jìn)行供電。

設計連續輸出功率的一種方法是：生成較高的輸出電壓和使用線(xiàn)性穩壓器生成所需的較低電壓。線(xiàn)性穩壓器輸入端電容用于提供維持時(shí)間。但遺憾的是，這種方法會(huì )降低電源的整體效率，原因是它需要使用次級線(xiàn)性穩壓器，進(jìn)而需要更大的變壓器和元件，使得電源電路初級側的額定功率更高。

另一種解決方案是使用已知的導通時(shí)間延長(cháng)技術(shù)，這種方法在Power Integrations(PI)的一系列離線(xiàn)式開(kāi)關(guān)IC中得到采用。在PI芯片中，導通時(shí)間延長(cháng)功能與開(kāi)/關(guān)控制功能相結合，用來(lái)提供穩壓。這兩種技術(shù)都可以替代傳統的脈寬調制(PWM)控制，而無(wú)需添加額外的電路，如圖1所示。

內存備份功率要求

需要在關(guān)斷之前存儲關(guān)鍵數據的產(chǎn)品應用通常會(huì )使用EEPROM內存，并需要獲得穩壓電源電壓，以便在完成內存寫(xiě)周期的時(shí)間持續供電。對于某些EEPROM內存而言，寫(xiě)周期時(shí)間可能長(cháng)達10 ms。為了提供足夠的寫(xiě)周期時(shí)間，標準的做法是：通過(guò)關(guān)閉所有外設和不必要的額外負載來(lái)降低斷電序列條件下的功耗。圖2顯示了直流總線(xiàn)電壓和斷電序列的關(guān)系，從而可以有效利用儲存在輸入直流總線(xiàn)端濾波電容中的能量。

功率轉換器階段需要使用儲存于輸入濾波電容中的能量，以便將輸出電壓維持在穩壓限制范圍之內。在圖2中，這代表著(zhù)直流總線(xiàn)電壓從Vmin2降到Vmin3及進(jìn)行數據備份所需要維持的一段時(shí)間(檢測到輸入失敗情況后)。

對于大多數低功率應用而言，反激式轉換器因為具有成本低、元件數量少和在通用輸入應用中易于設計等優(yōu)勢，而成為一種可選的拓撲結構。我們將用兩個(gè)反激式轉換器進(jìn)行比較，來(lái)說(shuō)明導通時(shí)間延長(cháng)技術(shù)的效率及其對電容選擇的影響：一個(gè)反激式轉換器在非連續導通模式工作一固定頻率技術(shù)(DCMFF)，而另一個(gè)則利用導通時(shí)間延長(cháng)來(lái)實(shí)施非連續導通模式-占空比擴展技術(shù)(DCMDE)。

輸入電壓下降時(shí)的功率輸出

案例1：DCMFF-最大占空比為50%。在本例中，我們將針對工作頻率為100kHz并使用了一個(gè)500μH初級電感的21.25W(5V@4.25A)電源設計，對最大占空比為50%的DCMFF轉換階段的功率輸出能力進(jìn)行測評(參見(jiàn)圖3)。假設能效為84%。

此設計的Vmim為100V。當直流總線(xiàn)電壓為100V時(shí)，如果所連負載等于滿(mǎn)載(即21.25W)，則占空比將達到最大值。

對于最大占空比為50%的DCMFF設計，最大輸出功率與直流總線(xiàn)電壓之間的關(guān)系如公式(1)所示。

圖4顯示，電路的最大功率能力將隨著(zhù)電壓的下降而下降，對于為50%滿(mǎn)載的負載，電路可以維持輸出端穩壓，使直流總線(xiàn)電壓僅下降到69V。

案例2：DCMDE-導通時(shí)間延長(cháng)而不改變關(guān)斷時(shí)間可以自動(dòng)擴展占空比。要使導通時(shí)間延長(cháng)方法與固定頻率DCMFF方法進(jìn)行可行性對比，需要將Vmin=100V下的占空比假設為50%。其結果是，電路在100V直流輸入電壓下輸出滿(mǎn)載功率時(shí)的初級電感值相同，以及高于100VDC的直流總線(xiàn)電壓具有相同的工作條件。

電路工作情況：電路的工作情況與DCMFF配置相同，直到直流輸入電壓降到與Vmim相等的值。隨著(zhù)輸入電壓降到Vmin以下，t0-t1的時(shí)間間隔將被延長(cháng)，直到初級電流達到預定的峰值初級電流值，后者等于輸入電壓為Vmin(占空比為50%)時(shí)的預計值。t1到t2的時(shí)間間隔保持不變，且等于正常工作條件下開(kāi)關(guān)頻率的時(shí)間間隔的一半。

圖5顯示了輸入電壓下降時(shí)初級繞組電流波形的變化。由于電感電流斜率隨著(zhù)輸入電壓的降低而降低，因此初級電流達到所需的峰值電流值將需要更長(cháng)的時(shí)間。雖然通過(guò)延長(cháng)導通時(shí)間間隔可以自動(dòng)降低工作頻率，但每個(gè)工作周期儲存在電感中的能量仍將保持不變。工作頻率下降可以導致電路的最大功率能力隨之下降。此時(shí)，電路的最大功率能力曲線(xiàn)表現為不同的形狀(參見(jiàn)圖4)。

最小輸入電壓與最大輸出功率之間的關(guān)系如公式(2)和公式(3)所示。

對比以上兩條曲線(xiàn)可以明顯確定，與DCMFF(固定頻率占空比限制)設計相比，導通時(shí)間延長(cháng)方案可以使功率轉換器在較低的輸入電壓下輸出更高的功率(參見(jiàn)圖4)。