有源鉗位的反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

在電子設(shè)備中，穩(wěn)壓器是一個(gè)用來持續(xù)調(diào)節(jié)電源輸出的裝置或機(jī)制。電源器件中穩(wěn)壓器有許多種。但最主要考慮到DC到DC的轉(zhuǎn)換，有兩種穩(wěn)壓器：線性或開關(guān)。

線性穩(wěn)壓器使用阻性壓降來調(diào)節(jié)輸出，但也因此效率低下且以熱能損失能量。而開關(guān)穩(wěn)壓器使用電感，二極管和電源開關(guān)來從電源轉(zhuǎn)移到輸出。

開關(guān)穩(wěn)壓器的種類

開關(guān)穩(wěn)壓器有三種：

1.升壓轉(zhuǎn)化器(Boost穩(wěn)壓器)

2.降壓轉(zhuǎn)化器(Buck穩(wěn)壓器)

3.反激轉(zhuǎn)換器(隔離穩(wěn)壓器)

Buck和Boost穩(wěn)壓器之間的區(qū)別在于電感，二極管以及開關(guān)電路的擺放不一樣。同時(shí)，Boost穩(wěn)壓器中輸出電壓大于輸入電壓，但在Buck穩(wěn)壓器里，輸出電壓低于輸入電壓。Buck拓?fù)溟煏r(shí)buck轉(zhuǎn)換器是SMPS中最常用的基礎(chǔ)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在我們將高電壓轉(zhuǎn)換為低輸出電壓時(shí)會(huì)經(jīng)常用到。

除了這兩個(gè)穩(wěn)壓器之外，還有一種穩(wěn)壓器在設(shè)計(jì)者間也很流行，那就是反激式穩(wěn)壓器或反激式轉(zhuǎn)換器。這是一個(gè)多功能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以從單輸出中生成多個(gè)輸出。不僅如此，反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以讓設(shè)計(jì)者同時(shí)改變輸出的極性。比如，我們可以從單個(gè)轉(zhuǎn)換器模塊中生成+5V，+9V和-9V的輸出。而且這兩種運(yùn)用下轉(zhuǎn)換效率都很高。

反激式轉(zhuǎn)換器還有一個(gè)特點(diǎn)就是輸入和輸出端的電隔離。為什么我們需要隔離呢?在某些特殊情況下，為了最小化電源噪聲，或處于安全相關(guān)的操作中，我們需要隔離操作，讓輸入源與輸出源完全隔離開來。讓我們來看看單個(gè)輸出的反激式變換是如何運(yùn)作的。

簡(jiǎn)介

反激式變換器是用于醫(yī)療設(shè)備和筆記本電腦等應(yīng)用的多功能電力電子器件。這種變換器也稱為隔離式升降壓變換器，其電路簡(jiǎn)單，可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出電壓(VOUT)，同時(shí)最大限度地減少電磁干擾 (EMI)。

本文將介紹反激式變換器及其拓?fù)?、有用參?shù)和操作，還將討論 MPS 的 AC/DC 反激式控制器(MPX2002和MPX2003)，它們同時(shí)具備原邊調(diào)節(jié) (PSR) 和副邊調(diào)節(jié) (SSR)的能力。

在反激式變換器中，電感被分割以形成耦合電感，它也被稱為反激式變壓器。耦合電感將變換器的輸入與其輸出隔離。為反激式變換器，其組成如下：

VIN：輸入電壓，即電路的電源。CIN和COUT：分別為輸入和輸出電容。電容用于存儲(chǔ)和釋放到穩(wěn)壓器VIN和輸出電壓(VOUT)的電荷。Control：來自IC 控制器的信號(hào)，用于導(dǎo)通原邊MOSFET。它允許電流流過LP，并傳輸至輸出。LP和LS：分別為原邊和副邊電感。耦合電感存儲(chǔ)并釋放能量，并根據(jù)各自繞組中的匝數(shù)確定VOUT。D：二極管，通過將交流電(AC) 轉(zhuǎn)換為直流電(DC)對(duì)VOUT進(jìn)行整流，使電流只能沿一個(gè)方向流動(dòng)。RL：用于模擬反激式變換器功耗的負(fù)載。

反激式變換器注意事項(xiàng)

選擇反激式變換器時(shí)，需要考慮一些重要的因素，其中包括確定一些基本參數(shù)，例如VIN、VOUT、LP和LS。下面列出了另外一些注意事項(xiàng)：

變壓器匝數(shù)比NP:NS(NP為原邊繞組匝數(shù)，NS為副邊繞組匝數(shù))直接影響VOUT。如果 NS增加，則 VOUT按比例增大;如果NS減小，VOUT也成比例減小。NP 與VOUT的關(guān)系則成反比，NP增加，VOUT 按比例減少;反之亦然。占空比是導(dǎo)通時(shí)間與總開關(guān)周期的比率(tON / τSW)。占空比根據(jù) VOUT和變壓器匝數(shù)比確定 VIN;占空比越高，VOUT越高。保護(hù)機(jī)制和隔離能力對(duì)于反激式變換器滿足 UL 1577 和 IEC 62368 等安全標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。可針對(duì) EMI 性能來優(yōu)化保護(hù)功能，以確保設(shè)備不會(huì)在次優(yōu)條件下運(yùn)行。反激式變換器操作

反激式變換器工作的本質(zhì)是存儲(chǔ)和傳輸能量。其工作周期包括導(dǎo)通時(shí)間(tON)和關(guān)斷時(shí)間(tOFF)，它們由 MOSFET 的開關(guān)狀態(tài)來控制(見圖 2)。tON期間，MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)，電流從輸入端流經(jīng)LP，為耦合電感充電;tOFF期間，MOSFET 處于關(guān)斷狀態(tài)，耦合電感通過二極管消磁，然后該電流為 COUT充電并為負(fù)載供電。這個(gè)過程可以簡(jiǎn)化為以下幾個(gè)步驟：

這個(gè)周期不斷循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)VOUT的調(diào)節(jié)。 盡管反激式變換器都遵循上述整體流程工作，但仍然可以選擇一些其他流程和模式來提升效率。

連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 和斷續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM)

反激式變換器可以在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 或斷續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM) 下運(yùn)行。

在 CCM 模式下，MOSFET 在電感完全放電之前從 tOFF切換到tON，從而防止電感電流(IL)降至零。在 DCM 模式下，能量則被完全釋放，這意味著有一段時(shí)間IL為零;當(dāng) IL為零時(shí)，二極管和 MOSFET 均處于關(guān)斷狀態(tài)。

由于 CCM 具有恒定電流，因此建議在負(fù)載變化的應(yīng)用中采用此模式，因?yàn)樗梢蕴峁└€(wěn)定的 VOUT。對(duì)于中等或重載應(yīng)用，CCM 也通常更加有利。

但對(duì)輕載而言，則建議采用DCM模式。在 DCM 模式下，輕載瞬態(tài)響應(yīng)更快;而且，如果副邊二極管/MOSFET 在tOFF期間具有零電流開關(guān) (ZCS)，DCM的效率也更高。ZCS在電流一達(dá)到零時(shí)就立即關(guān)斷開關(guān)器件，可降低開關(guān)器件的功耗。

AC/DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)通常涉及高電壓和變壓器的使用，給設(shè)計(jì)人員帶來了越來越困難的挑戰(zhàn)。

然而，市場(chǎng)上越來越多的集成控制電路的出現(xiàn)部分地促進(jìn)了這項(xiàng)任務(wù)，這些控制電路能夠簡(jiǎn)化高效 AC/DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)，減少外部組件的數(shù)量和電路的整體尺寸。

反激式轉(zhuǎn)換器

所述回掃轉(zhuǎn)換器中，如圖1所示，是用于使電源和充電器最廣泛使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的一個(gè)。該電路需要一個(gè)具有高開關(guān)頻率的晶體管、一個(gè)變壓器(能夠確保輸入和輸出之間的電流隔離)和其他幾個(gè)組件。工作原理是在晶體管Q 1導(dǎo)通時(shí)將磁能儲(chǔ)存在變壓器鐵芯中，然后在晶體管關(guān)斷時(shí)將其傳遞給負(fù)載。

圖 1：反激式轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

開關(guān)頻率越高，轉(zhuǎn)換器越小。然而，開關(guān)頻率受到一些因素的限制，首先是變壓器漏電感。每次切換FET Q 1時(shí)，變壓器寄生電感存儲(chǔ)的能量由鉗位電路耗散，鉗位電路由 R 1、C 1和 D 1 組成。如果開關(guān)頻率太高，功率損耗會(huì)變得太高，有可能對(duì)轉(zhuǎn)換器造成無法修復(fù)的損壞。

為了克服這個(gè)問題，使用了稱為有源鉗位解決方案，它涉及使用一個(gè)第二晶體管，Q的2，以及電容器。有源鉗位不會(huì)試圖耗散電阻器中的泄漏能量，而是將其存儲(chǔ)在鉗位電容器中，然后將其回收到負(fù)載。通過應(yīng)用有源鉗位控制，還可以實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān) (ZVS)，這是一種顯著提高轉(zhuǎn)換器效率的條件。具有有源鉗位的反激式轉(zhuǎn)換器的示例如圖 2 所示，在這種情況下，鉗位晶體管 Q 2是 P 溝道 FET。

圖 2：具有有源鉗位的反激式轉(zhuǎn)換器

此外，如果使用氮化鎵 (GaN) 晶體管而不是普通的硅 FET 晶體管，則達(dá)到 ZVS 條件所需的能量將顯著降低，從而允許更高的開關(guān)頻率和更小的電路。

有源鉗位需要一個(gè)智能控制電路，能夠非?？焖俚貏?dòng)作。有源鉗位電路允許通過回收否則耗散的泄漏能量和減少開關(guān)損耗來獲得更高的效率。此外，由于有源鉗位 FET 的軟開關(guān)和較小的開關(guān)電壓，它允許實(shí)現(xiàn)較低的 EMI。

Silanna ACF 轉(zhuǎn)換器

Silanna Semiconductor 總部位于加利福尼亞州圣地亞哥，專門提供具有一流功率密度和效率性能的設(shè)備，幫助客戶實(shí)現(xiàn)前所未有的 BoM 節(jié)省。Silanna Semiconductor 的 AC/DC 和 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器 IC 正在利用最新的數(shù)字和模擬控制和設(shè)備技術(shù)推動(dòng)旅行適配器、筆記本電腦適配器、電器電源、智能計(jì)量、計(jì)算、照明、工業(yè)電源和顯示電源方面的關(guān)鍵創(chuàng)新。