電路配置通盤(pán)考量應用

有很多電子產(chǎn)品需要扁平(Low-profile)而小型的交流對直流(AC-DC)電源設計，例如平面顯示器、機架式電腦設備、電信及航空的底盤(pán)安裝式設備等。然而，即使對一個(gè)相當有經(jīng)驗的電源設計人員來(lái)說(shuō)，要在一個(gè)扁平且體積小的器件內實(shí)現最大化的AC-DC電源效率，也不是一件容易的事;更何況在給定時(shí)間內，這類(lèi)設備須為負載提供數百瓦的功率，因而帶來(lái)更大的設計挑戰。

　　舉例來(lái)說(shuō)，1U機架式應用中采用的典型12伏特(V)、300瓦(W)電源有尺寸上的限制，最大高度不得超過(guò)1.75寸(44.45毫米)，并要包含一個(gè)或多個(gè)風(fēng)扇以進(jìn)行強制空氣冷卻。但對于高度限制小于1U的系統，強制空氣冷卻也許不可行，這意味著(zhù)必須采用成本高昂且表面積大的薄型散熱器來(lái)實(shí)現散熱管理。因此，最大效率的AC-DC電源設計顯得非常重要，因為其對縮小散熱器的尺寸與成本、提高設計的整體可靠性有直接影響。

　　助力AC-DC電源設計　BCM/CCM PFC各有妙用

　　在大多數功率位準工作的情況下，AC-DC電源需要某些類(lèi)型的主動(dòng)式功率因數校正器(PFC)。不過(guò)，是否需要PFC，必須取決于幾個(gè)考量，包括功率位準、終端應用、設備類(lèi)型和地理位置等;此外，通常還須符合EN6100-3-2或IEEE 519等規范的要求才能決定。

　　對于A(yíng)C-DC電源設計，一般會(huì )把一個(gè)非隔離且離線(xiàn)的升壓預調節器(Pre-regulator)當作PFC使用，其中，直流輸出電壓做為下游隔離直流對直流(DC-DC)轉換器的輸入。由于這兩個(gè)轉換器是彼此串連的，故總體系統效率ηSYS將是每個(gè)轉換器效率的乘積：

¨¨¨¨方程式1

　　由方程式1可見(jiàn)，在選擇最佳電源拓撲及兩個(gè)轉換器的控制技術(shù)時(shí)，必須要謹慎且全面考慮，其中有兩種PFC控制技術(shù)，第一種具有許多高效特性的系統解決方案是結合交錯式雙邊界導通模式(BCM)PFC，另一種則為連續導通模式(CCM)PFC。

　　以BCM PFC模式而言，須搭配一個(gè)非對稱(chēng)半橋(AHB)隔離式DC-DC轉換器，其須用到一個(gè)帶有自驅動(dòng)(Self-driven)同步整流器(Synchronous Rectifier, SR)的倍流整流器次級端(Current Doubler Rectifier Secondary)。特別是對于300瓦～1仟瓦(kW)范圍的PFC來(lái)說(shuō)，應考慮選擇BCM PFC，因為在相似的功率位準下，BCM PFC的效率高于CCM PFC控制技術(shù)。其以一種可變頻率控制演算法為基礎，在這種演算法中，兩個(gè)PFC升壓功率級彼此有同步180度的異相。

　　此外，由于BCM PFC具備有效的電感漣波電流消除，電磁干擾(EMI)濾波器和PFC輸出電容中常見(jiàn)的高峰值電流得以減小，并使輸出PFC大電容受益于漣波電流消除，進(jìn)而讓流經(jīng)等效串連電阻(ESR)的交流RMS電流減小。不僅如此，由于升壓金屬氧化物半導體場(chǎng)效電晶體(MOSFET)在依賴(lài)交流線(xiàn)的零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)下關(guān)斷，并在零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)下導通，故可進(jìn)一步提高效率，而對于350瓦的交錯式BCM PFC設計，則可去掉MOSFET散熱器，如圖1所示。

　　圖1 12伏特、300瓦的小型通用AC-DC電源

　　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。藉由在零電流時(shí)關(guān)斷交錯式BCM升壓二極體，可避免反向恢復損耗，因而可以使用成本低廉的快速恢復整流二極體，而且在某些情況下不須搭載散熱器。

　　不過(guò)，對于CCM PFC設計，反向恢復損耗是無(wú)可避免的，為解決此一問(wèn)題，通常會(huì )在二極體兩端采用RC緩沖器(但這樣做會(huì )降低效率)，或者是采用較高性能的碳化矽二極體(會(huì )增加相關(guān)成本)。