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(多图) 高效、小型AC-DC电源设计

Steve Mappus?? 飞兆半导体(美国)功率转换部门首席系统工程师?? 2010年07月27日 ?? 收藏2

  即使是对经验最丰富的电源设计人员来说,要在一个小体积内实现电源效率最大化也不是一件容易的事。需要小型电源设计的设备有很多,比如平板显示器、机架式电脑设备和电信及航空底盘安装设备。在给定时间内,这类设备可能需要为负载提供数百瓦的功率。例如,1U机架式应用中采用的典型12V、300W电源有尺寸限制,最大高度不超过1.75 英寸 (44.45 mm),并包含1个或多个风扇以进行强制空气冷却。但对于高度限制小于1U的系统,强制空气冷却也许不可行,这意味着必须采用成本高昂的大表面积薄型散热器来实现散热管理。因此,最大效率设计至关重要,因为其对减小散热器的尺寸与成本、提高设计的整体可靠性有直接的影响。

  在大多数情况下,工作在这些功率水平的AC-DC电源需要某些类型的有源功率因数校正(PFC)。需要PFC与否取决于几个标准:功率水平、终端应用、设备类型和地理位置,此外通常还需要受EN6100-3-2 或 IEEE 519等规范的指导。对于AC-DC电源,一般把一个非隔离离线升压预转换器用作PFC级,其DC输出电压作为下游隔离DC-DC转换器的输入。由于这两个转换器是彼此串联的,故总体系统

效率ηSYS为每个转换器的效率的乘积:

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  由式(1)显然可见,在选择最佳电源拓扑以及两个转换器级的控制技术时,必须进行谨慎全面的考虑。一种具有众多高效特性的系统解决方案是结合交错式双临界传导模式(BCM) PFC与隔离式DC-DC转换器,其中,前者后面跟着不对称半桥(AHB),后者采用了带自驱动同步整流器(synchronous rectifier,SR)的倍流整流器次级端(current doubler rectifier secondary)。

12V、300W、小型通用 AC-DC电源。

图1. 12V、300W、小型通用 AC-DC电源。

  对于300W-1kW范围的PFC转换器,应该考虑选择交错式临界传导模式(BCM) PFC,因为在相似的功率水平下,它的效率要高于连续传导模式(CCM) PFC控制技术。交错式BCM PFC基于一种可变频率控制算法,在这种算法中,两个PFC升压功率级彼此同步180度错相。由于具备有效的电感纹波电流消除,EMI滤波器和PFC输出电容中常见的高峰值电流得以减小。输出PFC大电容受益于纹波电流消除是因为流经等效串联电阻(ESR)的AC RMS电流减小。另外,由于升压MOSFET在依赖于AC线的零电压开关(ZVS)下关断,在零电流开关(ZCS)下导通,故可以进一步提高效率。对于350W的交错式BCM PFC设计,MOSFET散热器可去掉,如图1所示。另一方面,CCM PFC设计中使用的升压MOSFET则易受与频率相关的开关损耗的影响,而开关损耗与输入电流及线电压成比例。通过在零电流时关断交错式BCM升压二极管,可避免反向恢复损耗,从而允许使用成本低廉的快速恢复整流二极管,而且在某些情况下可以无需散热器。对于CCM PFC设计,反向恢复损耗是无可避免的,为解决这一问题,常常在二极管上并联一个RC缓冲器(但这样做会降低效率),或者是采用较高性能的碳化硅二极管(会增加相关成本)。

  对于隔离式DC-DC转换器设计,半桥是一个很好的拓扑选择,因为它有两个互补驱动的初级端MOSFET,且最大漏源电压受限于所加的DC输入电压。半桥拓扑有两种变体,即LLC 和不对称半桥(AHB),都广获采用,部分原因在于有专用于这些拓扑的功率管理控制IC 销售。LLC通过可变频率控制技术,利用与功率水平设计相关的寄生元素来实现ZVS。不过,由于经调节的DC输出只使用电容滤波,这种拓扑最适合的是输出纹波较低、输出电压较高的应用。对于离线DC-DC应用,一般规则是:当输出电压大于12VDC 时,最好选择LLC。

  对于300W, 12V DC-DC转换器,AHB是一种高效的选择。它采用一种固定频率控制方法。由于初级电流滞后于变压器的初级电压,故可为两个初级MOSFET的ZVS提供必要条件。类似于LLC,利用AHB实现ZVS的能力也取决于对电路寄生元素的透彻了解,比如变压器漏电感、匝间电容和分立式器件的结电容。相比LLC控制中采用的可变频率控制方法,固定频率方案可以大大简化次级端自驱动同步整流(SR)的任务。自驱动SR的栅极驱动电压很容易由变压器次级端推算出来。增加一个低端MOSFET驱动器,比如图2所示的双路4A FAN3224驱动器,就可以精确给出通过MOSFST米勒平坦区的电平转换和高峰值驱动电流,从而确保快速高效的SR开关转换。?

FAN3224

图2. FAN3224,利用


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电源效率? FPGA? SmartFusion? Actel?

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