如何使用反激式實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定及恒定電流的控制

電氣設(shè)備需要多種直流電壓供電才能進(jìn)行工作，可以使用反激式加多個(gè)降壓/升壓變換器實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定及恒定電流的控制。但傳統(tǒng)的多路輸出電源也面臨著不同的技術(shù)挑戰(zhàn)，例如在設(shè)計(jì)時(shí)需要權(quán)衡效率、空載功耗、輸出精度。從當(dāng)前的解決方案來(lái)看，要做到這三者之間的權(quán)衡還有一定難度。 一般而言，單輸出電源只要有反饋電路就能非常穩(wěn)定地輸出，但多輸出電源有所不同。以一個(gè)三路輸出電源的電路結(jié)構(gòu)為例，一般有輔助輸出、主輸出、反饋電路。由于傳統(tǒng)多路輸出反激式開關(guān)電源僅對(duì)主輸出進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，主輸出經(jīng)過(guò)反饋電路可以得到穩(wěn)定的電壓，但輔助輸出不經(jīng)過(guò)反饋電路，電壓會(huì)隨輸出負(fù)載條件出現(xiàn)變化，也就是大家所熟知的交叉調(diào)整率指標(biāo)。這也是多路輸出電源的難點(diǎn)之一：如何得到精確且穩(wěn)定的輸出是每個(gè)電源工程師不得不面對(duì)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

多路輸出電源的電路結(jié)構(gòu)

根據(jù)終端客戶需求的不同，芯片廠商給出了不同的解決方案，PI資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理閻金光分享了不同方案類型帶來(lái)了效果對(duì)比。 例如采用輸出未經(jīng)調(diào)整的多路輸出反激式電源的方案，能夠?qū)崿F(xiàn)高效率、較低的空載功耗，但會(huì)犧牲輸出精度。如果采用多路輸出反激+加權(quán)反饋+假負(fù)載的方案，能夠得到高效率、高輸出精度，但空載功耗較高。如果采用了單輸出的反激電源+降壓變換器穩(wěn)壓+假負(fù)載，能夠得到較好的輸出精度，但空載功耗比較高，且效率也只是中等水平。 可以看到，在不同情況下，不同的組合方式依舊難以實(shí)現(xiàn)效率、空載功耗、輸出精度三者的權(quán)衡，且不同方案對(duì)成本也會(huì)有所影響。通過(guò)加權(quán)反饋或者是添加降壓型變換器的方式雖然能改善穩(wěn)壓精度，但在峰值充電、“能量不足”的情況下也會(huì)出現(xiàn)輸出電壓忽高忽低的穩(wěn)定性問(wèn)題。 在認(rèn)識(shí)到多路輸出電源的技術(shù)挑戰(zhàn)之后，PI提供了新的解決方案。在2月27日，PI正式發(fā)布InnoMux-2?系列單級(jí)獨(dú)立穩(wěn)壓的多路輸出離線式電源IC。 根據(jù)介紹，InnoMux-2 IC將AC-DC和后級(jí)DC-DC變換級(jí)整合到單個(gè)芯片中，提供三個(gè)獨(dú)立穩(wěn)壓輸出，且改善了多路輸出離線式電源變換的設(shè)計(jì)，能配置多個(gè)恒壓(CV)和恒流(CC)輸出組合，且每個(gè)輸出均進(jìn)行獨(dú)立的穩(wěn)壓調(diào)整。 InnoMux-2 IC相較于傳統(tǒng)的兩級(jí)架構(gòu)，無(wú)需使用單獨(dú)的后級(jí)DC-DC變換級(jí)，元件數(shù)目減少約50%，可大大減小PCB板的占板尺寸。官方介紹，InnoMux-2 IC可以提供的輸出功率可達(dá)100W，并且在整個(gè)輸入電壓、負(fù)載范圍、溫度及負(fù)載電流跳變的條件下滿足優(yōu)于±3%的調(diào)整精度。另外，InnoMux-2 IC在效率和功耗上都實(shí)現(xiàn)了不同的升級(jí)。 在效率方面，InnoMux-2 IC采用一個(gè)單級(jí)的架構(gòu)，750V PowiGaN?氮化鎵開關(guān)管、零電壓開關(guān)(無(wú)需有源鉗位)和同步整流技術(shù)，能夠讓系統(tǒng)效率最多提高10%。 PI舉了一個(gè)例子，在一個(gè)12V恒壓的單輸出電源中，最終的系統(tǒng)效率為92%。在一個(gè)多輸出+后級(jí)穩(wěn)壓器電源架構(gòu)中，輸出5V CV、12V CV、30V CC，經(jīng)過(guò)二次變換后的系統(tǒng)效率只有80%。而InnoMux-2多路輸出的方案中引入氮化鎵開關(guān)管，通過(guò)對(duì)輸出能量加以引導(dǎo)，在沒(méi)有采用后級(jí)穩(wěn)壓器的情況下還能將系統(tǒng)效率提升10%，達(dá)到90%。

InnoMux-2 在系統(tǒng)效率上的表現(xiàn)(圖源：PI)

針對(duì)功耗的管理，能源之星®和歐盟標(biāo)識(shí)指令對(duì)設(shè)備的功耗進(jìn)一步進(jìn)行了限制，歐洲用電產(chǎn)品(EuP)指令規(guī)定設(shè)備在待機(jī)狀態(tài)下的功耗需要到300mW以下。因此電源管理系統(tǒng)需要在功耗上實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的迭代，特別是智能家電應(yīng)用場(chǎng)景，而為了維持輸出電壓穩(wěn)定的泄放電路不執(zhí)行任何有效的工作，但在待機(jī)狀態(tài)下會(huì)消耗大量的能量。如果采用InnoMux-2 IC解決方案，則無(wú)需在輸出端采用泄放電阻，進(jìn)而可將待機(jī)功耗改善20%，保證300mW的待機(jī)功耗要求。 在應(yīng)用場(chǎng)景上，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都需要多軌供電，InnoMux-2能夠在一定程度上很好地解決多路輸出電源在功耗、效率等方面的技術(shù)挑戰(zhàn)，適合于白色家電、工業(yè)系統(tǒng)、顯示器等需要多組供電電壓的應(yīng)用場(chǎng)景。 閻金光介紹，InnoMux-2方案支持各種輸出組合，例如應(yīng)用在電視、照明場(chǎng)景，可以使用一路恒壓和一路恒流輸出的方式;針對(duì)高端顯示器可以采用一路恒壓及最多八路的恒流輸出的方式。另外，PI還推出了62W工業(yè)及電器類應(yīng)用電源(3組CV輸出)等多個(gè)參考設(shè)計(jì)。這些革命性的高輸出精度單級(jí)多路輸出變換器的設(shè)計(jì)，一定會(huì)給工程師帶來(lái)新的設(shè)計(jì)選擇。