RDFC——低成本單電壓輸入開(kāi)關(guān)電源

離線(xiàn)式 AC/DC 電源廠(chǎng)商日益感受到成本增加的壓力,必須停止生產(chǎn)體積大、效率低的線(xiàn)性電源轉換器,并以結構更小、更輕及效率更高的開(kāi)關(guān)電源(SMPS)產(chǎn)品來(lái)取代。

反激式(Flyback)及自激式轉換器(Ringing choke converter, RCC)是兩種最常用的SMPS產(chǎn)品,適合用于全區域輸入充電器和適配器。它們能滿(mǎn)足市場(chǎng)對于節能的需求,但是從商業(yè)角度來(lái)說(shuō),對于特定市場(chǎng)的低價(jià)且量產(chǎn)的產(chǎn)品來(lái)說(shuō),并不是線(xiàn)性電源理想的替代方案。反激式及自激式轉換器被公認為是成本昂貴,且設計線(xiàn)路更為復雜的解決方案。特別是在音響、無(wú)繩電話(huà)和網(wǎng)絡(luò )設備等需要額外濾波電路的應用上,更需要高水平的設計能力。因此,許多消費電子制造商并不愿意引入SMPS拓樸。

不過(guò),新型單開(kāi)關(guān)組件的諧振非連續正激式轉換器(Resonant Discontinuous Forward Converter, RDFC)拓樸的出現,會(huì )讓制造商愿意重新審視他們的決定。這個(gè)新方案為耗電量低于60W的設備與低成本SMPS結構之間搭起了一座橋梁,它能夠提供高效率、低待機功耗且小尺寸的SMPS拓樸結構,而其電路設計更為簡(jiǎn)單,且系統成本與同等級的線(xiàn)性電源轉換器差不多或更低。

這項技術(shù)提供了更具有成本效益的方法,并可通過(guò)以下特點(diǎn)來(lái)增加SMPS拓樸的效能：

·諧振轉換時(shí)產(chǎn)生很低的EMI：這個(gè)方法最適合用在音響及其它對EMI要求嚴格的應用,反激式設計需要復雜的次級濾波電路,以符合低EMI的要求。

·零電壓切換：提供更高的電源轉換效率,遠優(yōu)于現有能源之星(Energy Star)或其它監管機構的要求標準
· 使用成本低廉的三極管電源開(kāi)關(guān)：一般而言,三極管電源開(kāi)關(guān)的成本只有反激式SMPS拓樸中所使用的快速MOSFET開(kāi)關(guān)價(jià)格的25%~30%。然而這種結構也有其設計難點(diǎn),如需要開(kāi)發(fā)新的精密混合信號控制器,確保電源供應,不管負載如何變化,都可以一直以最佳效率運行,且平均電源轉換效率超過(guò)80%,無(wú)負載功耗低于100 mW。

RDFC-低成本開(kāi)關(guān)電源

如同反激式技術(shù)一樣,正激式轉換器在超過(guò)100W的AC/DC離線(xiàn)式電源方面仍然是非常受歡迎的結構;由于在適配器鐵氧體芯內不存儲能量,與反激式技術(shù)相比,在鐵芯的尺寸上縮小了許多。然而此方法沒(méi)有用在較低的電源應用上,這是因為在傳統結構的應用中,需要配有輸出扼流圈和續流二極管(Free Wheel Diode, FWD)才能運作。

諧振非連續正激式不僅具有適配器鐵芯較小的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也不需要輸出扼流圈和續流二極管,對于6W~60W的市場(chǎng),此方案更具有商業(yè)吸引力。RDFC的簡(jiǎn)化電路如圖1所示。 次級側電路中只有一個(gè)正向二極管和輸出電容器,加上初級側電感和諧振電容所形成的諧振電路與開(kāi)關(guān)。

圖1 RDFC拓撲的簡(jiǎn)化電路圖

正激式轉換器只是通過(guò)適配器匝數比(Turns Ratio)函數的結果穩壓,也就是說(shuō)輸出電壓可以由輸入電壓及適配器匝數比計算出來(lái)。換言之,它沒(méi)有反饋電路且不需要光學(xué)耦合器,這樣就節省了系統和制造成本,并容易通過(guò)安全認證。RDFC結構也不會(huì )導致輸出電壓上升至不安全的范圍,而如果反激式在反饋回路出現故障時(shí),就會(huì )發(fā)生此情況。

反激式拓樸中硬切換的特性,在電壓和電流切換波形內往往因存在高頻成分而產(chǎn)生大量的電磁噪聲。為了符合EMI規定,適配器必須小心地構建,并加上昂貴的Y電容及共模扼流圈以減少噪聲耦合,這些都是實(shí)際操作中的額外電氣成本。

RDFC實(shí)現中的半正弦(諧振波形)沒(méi)有這類(lèi)高頻成分。這減少了電源的噪聲,且具有高達20W的輸出電源供應能力,而不需要Y電容來(lái)進(jìn)行濾波。

半正弦的電壓峰值變化,是因為電源輸入大型充電電容上的電壓波動(dòng)所致。電壓中的微小變化耦合到大電容電感上,引起了像自然抖動(dòng)的開(kāi)關(guān)頻率移位,進(jìn)一步改善了RDFC的EMI性能。

降低整體系統成本的最主要原因是采用了低成本的三極管。此方法使用零電壓開(kāi)關(guān),在電流流動(dòng)之前,電壓先降至極低的狀態(tài),如圖2所示。整體的結果是,由于系統性能并不依賴(lài)快速開(kāi)關(guān),因此可以使用較慢的標準三極管,而不需常用于反激式設計中的快速開(kāi)關(guān)MOSFET組件。和MOSFET相比,三極管有較高的截面電流密度,可降低傳導損耗,因而可以較低的成本提供較高的系統效率。

圖2 在反擊式轉換器中,開(kāi)關(guān)的重迭是造成低效率的原因,而RDFC采用零電壓軟件開(kāi)關(guān)來(lái)降低這些損耗

圖3所示為一個(gè)7 W 的RDFC的電源轉換效率對應于負載的曲線(xiàn),通過(guò)與能源之星的規定及典型線(xiàn)性轉換器比較,效率超過(guò)80%,而系統成本則和線(xiàn)性設計差不多或更低。

圖3 劍橋半導體的RDFC拓撲在7W應用中的電源轉換效率

峰值功率能力

正激式轉換器會(huì )在正向周期內(即開(kāi)關(guān)開(kāi)啟且導通時(shí)),透過(guò)適配器將能量從初級側(Primary)傳遞到次級側(Secondary)。與反激式方案不同,適配器里沒(méi)有存儲能量,這帶來(lái)兩項好處：
·峰值功率能力：非常適用于需要短脈沖功率的應用。

·變壓器鐵芯尺寸：在反激式電源中,電源從鐵芯獲得有限的能量,這不利于選擇較小尺寸的鐵芯。但RDFC則不同,就相同的輸出功率而言,RDFC所使用的變壓器和現有線(xiàn)性變壓器比較,在體積上大為縮小。

先進(jìn)的模擬和數字控制功率
RDFC電路比反激式設計的整體組件數量更少,而且在設計時(shí)間及人力的需求上也降低許多。在RDFC結構中使用的C2470系列混合信號控制器,更進(jìn)一步簡(jiǎn)化了電路,也將安全性及保護功能整合至芯片,并同時(shí)有模擬和數字控制回路,以確保電源供應操作處于最佳狀態(tài)

控制器擁有智能型設計,可以通過(guò)檢測諧振時(shí)間來(lái)進(jìn)行最低電壓切換、決定占空比、設定限制電流以及進(jìn)入待機模式。這5種數字控制模式如圖4所示：待機模式、正常模式、過(guò)載模式、折返模式 (Foldback Mode) 以及電源突發(fā)模式(Power Burst Mode)。

圖4 C2470系列混合信號控制器的5中控制模式能在不同運行狀態(tài)中保持最佳的性

三極管的基極驅動(dòng)和開(kāi)關(guān)飽和為專(zhuān)利技術(shù),確?？刂凭w管的電流受到控制,以降低初級開(kāi)關(guān)晶體管中的開(kāi)關(guān)損耗,優(yōu)化整體的系統效率,如圖5所示。

圖5 芯片集成了模擬反饋回路,以便智能的驅動(dòng)低成本三極管

結語(yǔ)

諧振電源轉換器效率非常高,但一直都未能以商業(yè)化形式應用在大量的消費性電子市場(chǎng)中。新的混合信號控制器已經(jīng)可以大量供應,讓制造商能以新穎的電源轉換結構來(lái)設計低成本的開(kāi)關(guān)電源,并取代6W~60W功率范圍的線(xiàn)性電源轉換器。它們擁有80%以上的電源轉換效率,并且在無(wú)負載時(shí),電源最低功耗不超過(guò) 100mW;在數據表現上比標準且昂貴的反激式更為優(yōu)越。