【導(dǎo)讀】對于離線電源來說,反激拓?fù)涫且环N合理的解決方案。但是,如果設(shè)計的終端應(yīng)用不需要隔離,那么與之相比,離線倒置降壓拓?fù)渚哂懈叩男?,并?BOM 數(shù)量更少。這篇電源設(shè)計的文章,將會探討倒置降壓對于小功率 AC/DC 轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢。
對于離線電源來說,反激拓?fù)涫且环N合理的解決方案。但是,如果設(shè)計的終端應(yīng)用不需要隔離,那么與之相比,離線倒置降壓拓?fù)渚哂懈叩男剩⑶?BOM 數(shù)量更少。這篇電源設(shè)計的文章,將會探討倒置降壓對于小功率 AC/DC 轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢。
離線式電源是最常見的電源之一,也稱為交流電源。隨著越來越多的產(chǎn)品將典型的家庭功能集成在內(nèi),業(yè)界對輸出能力在 1W 以下的小功率離線轉(zhuǎn)換器的需求也越來越大。對于這些應(yīng)用,最重要的設(shè)計方面是效率、集成和低成本。
在決定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時,反激拓?fù)渫ǔJ侨魏涡」β孰x線轉(zhuǎn)換器的首選。但是,如果不需要隔離,這就可能不是最好的方法。假設(shè)終端設(shè)備是一個智能燈開關(guān),用戶可以通過智能手機(jī)的 app 進(jìn)行控制,那么在這種情況下,用戶在操作過程中不可能接觸到暴露的電壓,因此就不需要隔離。
對于離線電源來說,反激拓?fù)涫且环N合理的解決方案,因為其物料清單(BOM)數(shù)量較少,只有少數(shù)功率級元件,并且變壓器在設(shè)計上可以處理較寬的輸入電壓范圍。但是,如果設(shè)計的終端應(yīng)用不需要隔離呢?如果是這樣的話,考慮到輸入是離線的,設(shè)計人員可能仍然想要使用反激拓?fù)洹Ъ墒綀鲂?yīng)晶體管(FET)和初級側(cè)調(diào)節(jié)的控制器可以創(chuàng)建小型的反激解決方案。
圖 1 給出的非隔離反激轉(zhuǎn)換器的典型原理圖,使用帶初級側(cè)調(diào)節(jié)的 UCC28910 反激式開關(guān)電源 IC 進(jìn)行設(shè)計。雖然這個方案可行,但與反激電源相比,離線倒置降壓拓?fù)渚哂懈叩男?,并?BOM 數(shù)量更少。這篇電源設(shè)計的文章,將會探討倒置降壓對于小功率 AC/DC 轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢。
圖 1:這種使用 UCC28910 反激開關(guān)電源 IC 的非隔離反激設(shè)計,可將 AC 轉(zhuǎn)換為 DC,但離線倒置拓?fù)淇梢愿行У赝瓿纱隧椆ぷ鳌?/div>
圖 2 畫出了倒置降壓的功率級。和反激電源一樣,它包含兩個開關(guān)元件、一個磁性元件(是一個功率電感器而不是變壓器)和兩個電容器。顧名思義,倒置降壓拓?fù)漕愃朴诮祲恨D(zhuǎn)換器。開關(guān)產(chǎn)生一個介于輸入電壓和地之間的開關(guān)波形,然后通過電感電容網(wǎng)絡(luò)濾波。區(qū)別在于輸出電壓穩(wěn)壓成低于輸入電壓的電位。即使輸出“浮動”在輸入電壓以下,它仍然可以正常為下游電子電路供電。
圖 2:倒置降壓功率級的簡化原理圖。
將 FET 設(shè)置在低側(cè),反激控制器就可以直接對它驅(qū)動。圖 3 所示的倒置降壓拓?fù)涫褂?UCC28910 反激開關(guān)電源 IC 設(shè)計。1:1 耦合電感器充當(dāng)磁開關(guān)元件。一次繞組充當(dāng)功率級的電感器。二次繞組為控制器提供定時和輸出電壓調(diào)節(jié)信息,并為控制器的本地偏置電源(VDD)電容器充電。
圖 3:使用 UCC28910 反激開關(guān)電源 IC 的典型倒置降壓拓?fù)湓O(shè)計。
反激拓?fù)涞囊粋€缺點是能量通過變壓器傳遞的方式。這種拓?fù)湓?FET 的導(dǎo)通時間內(nèi)將能量存儲在氣隙中,然后在 FET 的關(guān)斷時間內(nèi)將其傳輸?shù)酱渭?。實際的變壓器在初級側(cè)會有一定的漏感。當(dāng)能量轉(zhuǎn)移到次級側(cè)時,剩余的能量會存儲在漏感中。這個能量是不能用的,需要使用齊納二極管或電阻電容網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行耗散。
在降壓拓?fù)渲?,漏電能?FET 的關(guān)斷時間內(nèi)通過二極管 D7 傳遞到輸出端。這樣可以減少元器件數(shù)量并提高效率。
另一個區(qū)別是每個磁性元件的設(shè)計和傳導(dǎo)損耗。因為倒置降壓拓?fù)渲挥幸粋€繞組來傳輸電能,所以所有的電能傳輸電流都會通過它,這就實現(xiàn)了良好的銅利用率。反激拓?fù)鋭t不具有這么好的銅利用率。當(dāng) FET 導(dǎo)通時,電流通過一次繞組,而二次繞組中卻沒有。當(dāng) FET 關(guān)斷時,電流通過二次繞組,而一次繞組中卻沒有。因此,在反激式設(shè)計中,變壓器要儲存更多的能量,并且需要使用更多的銅來提供相同的輸出功率。
圖 4 對具有相同輸入、輸出規(guī)格的降壓轉(zhuǎn)換器電感器和反激變壓器的原、副邊繞組的電流波形進(jìn)行了比較。降壓轉(zhuǎn)換器電感器的波形在左側(cè)的單獨藍(lán)色框中,反激轉(zhuǎn)換器的原、副邊繞組在右側(cè)的兩個紅色框中。
對于各種波形來說,傳導(dǎo)損耗可以按均方根電流的平方乘以繞組電阻的方式來計算。因為降壓轉(zhuǎn)換器只有一個繞組,所以磁場中的總傳導(dǎo)損耗就是這一個繞組的損耗。然而,反激轉(zhuǎn)換器的總傳導(dǎo)損耗是原、副邊繞組損耗之和。此外,在相同的功率水平下,反激轉(zhuǎn)換器中磁性元件的物理尺寸要比倒置降壓設(shè)計更大。兩個元件的儲能均等于½ L × IPK2。
對于圖 4 所示的波形,根據(jù)計算,倒置降壓設(shè)計所需存儲的電能僅為反激設(shè)計的 1/4。因此,與相同功率的反激設(shè)計相比,倒置降壓設(shè)計的尺寸要小得多。
圖 4:降壓拓?fù)渑c反激拓?fù)渲须娏鞑ㄐ蔚谋容^。
當(dāng)不需要隔離時,反激拓?fù)洳⒉豢偸切」β孰x線應(yīng)用的最佳解決方案。倒置降壓拓?fù)溆捎诳梢允褂酶〉淖儔浩?/ 電感器,因此可以提供更高的效率和更低的 BOM 成本。對于電力電子領(lǐng)域的設(shè)計人員來說,對于給定的規(guī)格,必須要考慮所有可能的拓?fù)浣鉀Q方案,從而確定最佳匹配。
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