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簡化離線式開關電源的設計

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2020年05月14日  

與傳統的線性電源相比,開關電源具有許多優點。在通常情況下,假如只要一個直流輸出,采用一個變壓器、整流器和濾波電容就可構成線性電源。有時,可采用一個線性穩壓器供應穩壓輸出。這種系統的重要優點是簡單,所以成本通常較低。而開關電源通常結構復雜、價格昂貴,所以線性電源獲得了廣泛應用。表1列出了兩種系統的優點和缺點。


表1線性與開關電源比較


線性電源開關模式電源通常成本很低成本有低有高噪聲低可達到低噪聲,但會新增復雜度結構簡單結構復雜重量重,體積大重量輕,體積小效率低效率高固定輸入電壓通用輸入電壓


開關電源電路有許多種,但最常見的是反激式轉換器,其原理如圖1所示,電源輸入首先經過整流,然后濾波,接下來經過變壓器和初級開關,以及初級控制器;這個控制器根據反饋信號來改變開關的占空比,反饋信號是由次級反饋而來。盡管可采用電感器,但所示設計采用的是未隔離的變壓器。隔離設計在離線設備中更為常見,在離線設備中,變壓器具有隔離用途,可方便地實現占空比調整。反激式開關電源可在非持續導通和持續導通兩種模式下工作,不持續導通模式如圖2所示。Ilm和Vlm是變壓器磁化電感通過的電流和施加的電壓。表2開關電源的兩種導通模式


持續導通模式非持續導通模式峰值電流較小,開關損耗較低峰值電流較大,開關損耗較峰值電流較小,變壓器損耗較低峰值電流較大,變壓器損耗較所需電感較大,緩沖損耗較高所需電感較小,緩沖損耗較低次邊要快速恢復二極管不要快速恢復二極管


當開關閉合時,電壓施加在變壓器初級的兩端,因為此時次級二極管是截止的,變壓器所起的用途就像電感器。經過初級線圈的電流會上升,同時能量儲存在磁通量中。當開關斷開時,次級二極管導通,電流通過次級時會下降,因為能量被轉換至次邊大容量電容器。假如電流經過磁化電感區后降至零,這是不持續導通模式。假如磁化電流未降至零,如圖3所示,則系統以持續導通模式工作。表2列出了兩種模式的優缺點。兩種模式各有其優缺點,可根據設計要求進行選擇。可以選擇大負載的持續模式設計,或選擇小負載的非持續模式設計。有電壓和電流兩種控制模式,在電壓模式中,次邊電壓被反饋,直接控制工作循環;而在電流模式中,次邊電壓被反饋,控制最大的開關電流,即控制IC的pWM部分使開關閉合,當電流達到反饋設定的極限時,開關就斷開。


控制器的選擇過去,大多數SMpS系統采用分立控制器IC和用場效應晶體管(FET)作為開關,現在可以采用集成控制器,這些集成器件針對各種功率級別和應用進行了優化,通常可分為雙芯片式和單芯片式兩類。雙芯片式包括控制器芯片和MOSFET芯片,而單芯片式僅有一個芯片,一般采用BCDMOS工藝制造。采用BCDMOS工藝制造高壓功率MOSFET器件,它的局限性多于采用優化MOSFET工藝制造的器件。通常,采用BCDMOS工藝制造的芯片的單位面積RDS(on)值會高出許多。然而,單芯片解決方法的成本較低,在低功率應用領域具有優勢。因此,一般是為高功率應用選擇雙芯片方法,而為低功率應用選擇單芯片方法,高低功率的分界點在15至20W左右,飛兆半導體有供應兩種類型的功率開關。


應用實例圖4所示為采用KA5M0365R的通用開關模式電源的電路圖,KA5M0365R是雙芯片器件。電源的輸入電壓為85~265VAC,開關頻率為66kHz,輸出為3.3V、1.2A,5V、1.5A,9V、0.5A和33V、0.1A。內部MOSFET的額定值為3A和650V,但不是簡單的MOSFET,而是SenseFET,其源極面積約有1%被隔離出來,形成次感應源極。漏極電流的1%來自感應源極,它流經集成電阻器,便于準確地測量電流值,不存在與外部電流采樣電阻器相關的損耗。自線路輸入端開始,首先是一個用于抑制EMI的濾波器,接下來是橋型整流器、NTC電阻器和濾波電容器。NTC電阻器用于防止開關閉合時的電流浪涌。在第一次接通電源時,FpS以旁路模式工作,吸收極少的電流,Vcc電容器被充電,一旦達到電壓鎖定閾值15V范圍的上限,該器件就開始開關,它的電流需求新增,Vcc電壓開始下降。然而,假定Vcc電容器足夠大,Vcc電壓仍保持在電壓鎖定閾值范圍的較低水平,在正常運作期間,第三線圈開始供電。緩沖網絡(SnubberNetwork)連接在變壓器初級的兩端,以確保變壓器泄漏電感引起的尖峰信號,不會造成開關漏極電壓超過其擊穿電壓。假如超過擊穿電壓,器件會發生雪崩,由于它具有一定的雪崩額定值,這樣僅僅多消耗一點功率,不需配置昂貴的齊納緩沖器。有四個次級線圈供應四路電壓輸出,通過一個光耦,由431型電壓參考器供應反饋信號。


保護功能所有的離線式電源必須達到一定的安全標準,圖4所示的設計具有良好的保護功能,得益于控制器具有的過載保護、過壓保護、過流保護、欠壓保護和過熱保護特性。假如電源超負載但未短路,輸出電壓將會降低,反饋電壓上升,占空比新增以進行補償。然而,因為初邊電流有限,可轉換的最大功率也是有限的,因此反饋電壓將繼續上升。一旦它達到閾值,器件的開關動作就會停止。過載保護可延時以防止負載瞬變導致的錯誤觸發。假如在反饋回路中出現開路故障,反饋引腳電壓將上升,導致工作循環新增,輸出電壓也將上升,Vcc引腳電壓同樣也上升,一旦Vcc電壓達到保護閾值,設備就關閉,以防止損害次級。假如在反饋回路中出現短路故障,反饋引腳將接地,器件的開關動作也會停止。假如次級整流器發生短路,或負載短路,在開關閉合之后,立即有大電流流經開關,從而造成損害。因此,器件會測量在開關閉合后極短時間內的電流,假如電流值比閾值高,器件會停止運轉。假如器件試著自動重新啟動,保護功能會鎖死開關動作以防止重復的應力。另外,器件具有前沿屏蔽功能。


針對特定應用的改進低功率電源常常是備用、輔助電源,或用于內務處理,FSDH0165或FSDH565等單芯片器件適用于此類電源,芯片集成了控制器和SenseFET。由于器件采用BCDMOS技術制造,不存在起動電阻器。有可能將高壓整流電源直接連接到器件上,其起動與雙芯片器件相似,然而,差別是該器件用內部電流源為Vcc電容器充電,一旦Vcc引腳電壓達到閾值電壓,器件起動,電流源從內部斷開,因此在正常運作期間,不從電路中直接吸取能量,因而效率提高。關于較高功率電源,可采用圖5所示的系統,它與先前的系統很相似,但它以準諧振模式工作,Lm不是一個單獨的元件,而是變壓器的一部分。在這種模式下,開關頻率與輸入電壓和負載水平無關,在低輸入電壓和大負載的情況下,頻率降低,而在高輸入電壓和小負載的情況下,開關頻率升高。在最大輸入電壓下,所需頻率不應超過最高開關頻率150kHz,因此施加的負載應有所限制。準諧振模式的優點是EMI較低和效率較高。這里未出現先前所用的傳統RCD(電阻器電容器二極管)緩沖器,作為替代,采用一個與開關并聯的小型電容器,電源開關配有一個額外的同步引腳,用于開通SenseFET。在次級二極管截止之前,其工作與非持續電流反激方式基本相同。在初級二極管截止后,開關管漏極開始振鈴動作,頻率由串聯的電容器和初級電感量所決定。同步引腳電壓開始下降,當電壓超過閾值時,開關再次閉合。選擇合適的同步引腳元件,使得漏極電壓達到最小值時,同步電壓達到閾值。該系統為軟開關型,具有很小的EMI,因為漏極電壓很小,開關損耗也降至最低。但這里忽略了功率因數校正問題,因為在歐洲已經要求所有功耗超過75W的設備需進行功率因數校正。有幾種方法可實現功率因數校正,從簡單的無源解決方法到較復雜和性能較好的有源解決方法。飛兆半導體的ML4803采用小型8引腳封裝,集成了pFC和pWMSMpS控制器,在技術和成本具有相當的優勢。現在已經有多種適合不同應用和功率范圍的器件,使離線式開關電源的設計變得更為簡單。


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