高效率小體積AD-DC電源的設(shè)計

　 即使是對經(jīng)驗最豐富的電源設(shè)計人員來說，要在一個小體積內(nèi)實現(xiàn)電源效率最大化也不是一件容易的事。需要小型電源設(shè)計的設(shè)備有很多，比如平板顯示器、機架式電腦設(shè)備和電信及航空底盤安裝設(shè)備。在給定時間內(nèi)，這類設(shè)備可能需要為負載提供數(shù)百瓦的功率。例如，1U機架式應(yīng)用中采用的典型12V、300W電源有尺寸限制，最大高度不超過1.75 英寸 (44.45 mm)，并包含1個或多個風扇以進行強制空氣冷卻。但對于高度限制小于1U的系統(tǒng)，強制空氣冷卻也許不可行，這意味著必須采用成本高昂的大表面積薄型散熱器來實現(xiàn)散熱管理。因此，最大效率設(shè)計至關(guān)重要，因為其對減小散熱器的尺寸與成本、提高設(shè)計的整體可靠性有直接的影響。

　　在大多數(shù)情況下，工作在這些功率水平的AC-DC電源需要某些類型的有源功率因數(shù)校正(PFC)。需要PFC與否取決于幾個標準：功率水平、終端應(yīng)用、設(shè)備類型和地理位置，此外通常還需要受EN6100-3-2 或 IEEE 519等規(guī)范的指導。對于AC-DC電源，一般把一個非隔離離線升壓預(yù)轉(zhuǎn)換器用作PFC級，其DC輸出電壓作為下游隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入。由于這兩個轉(zhuǎn)換器是彼此串聯(lián)的，故總體系統(tǒng)效率ηSYS為每個轉(zhuǎn)換器的效率的乘積：

(1)

　　由式(1)顯然可見，在選擇最佳電源拓撲以及兩個轉(zhuǎn)換器級的控制技術(shù)時，必須進行謹慎全面的考慮。一種具有眾多高效特性的系統(tǒng)解決方案是結(jié)合交錯式雙臨界傳導模式(BCM) PFC與隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，其中，前者后面跟著不對稱半橋(AHB)，后者采用了帶自驅(qū)動同步整流器(synchronous recTIfier，SR)的倍流整流器次級端（current doubler rectifier secondary）。

圖1. 12V、300W、小型通用 AC-DC電源。

　　對于300W-1kW范圍的PFC轉(zhuǎn)換器，應(yīng)該考慮選擇交錯式臨界傳導模式(BCM) PFC，因為在相似的功率水平下，它的效率要高于連續(xù)傳導模式(CCM) PFC控制技術(shù)。交錯式BCM PFC基于一種可變頻率控制算法，在這種算法中，兩個PFC升壓功率級彼此同步180度錯相。由于具備有效的電感紋波電流消除，EMI濾波器和PFC輸出電容中常見的高峰值電流得以減小。輸出PFC大電容受益于紋波電流消除是因為流經(jīng)等效串聯(lián)電阻(ESR)的AC RMS電流減小。另外，由于升壓MOSFET在依賴于AC線的零電壓開關(guān)(ZVS)下關(guān)斷，在零電流開關(guān)(ZCS)下導通，故可以進一步提高效率。對于350W的交錯式BCM PFC設(shè)計，MOSFET散熱器可去掉，如圖1所示。另一方面，CCM PFC設(shè)計中使用的升壓MOSFET則易受與頻率相關(guān)的開關(guān)損耗的影響，而開關(guān)損耗與輸入電流及線電壓成比例。通過在零電流時關(guān)斷交錯式BCM升壓二極管，可避免反向恢復損耗，從而允許使用成本低廉的快速恢復整流二極管，而且在某些情況下可以無需散熱器。對于CCM PFC設(shè)計，反向恢復損耗是無可避免的，為解決這一問題，常常在二極管上并聯(lián)一個RC緩沖器(但這樣做會降低效率)，或者是采用較高性能的碳化硅二極管(會增加相關(guān)成本)。

　　對于隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計，半橋是一個很好的拓撲選擇，因為它有兩個互補驅(qū)動的初級端MOSFET，且最大漏源電壓受限于所加的DC輸入電壓。半橋拓撲有兩種變體，即LLC 和不對稱半橋(AHB)，都廣獲采用，部分原因在于有專用于這些拓撲的功率管理控制IC 銷售。LLC通過可變頻率控制技術(shù)，利用與功率水平設(shè)計相關(guān)的寄生元素來實現(xiàn)ZVS。不過，由于經(jīng)調(diào)節(jié)的DC輸出只使用電容濾波，這種拓撲最適合的是輸出紋波較低、輸出電壓較高的應(yīng)用。對于離線DC-DC應(yīng)用，一般規(guī)則是：當輸出電壓大于12VDC 時，最好選擇LLC。 　對于300W, 12V DC-DC轉(zhuǎn)換器，AHB是一種高效的選擇。它采用一種固定頻率控制方法。由于初級電流滯后于變壓器的初級電壓，故可為兩個初級MOSFET的ZVS提供必要條件。類似于LLC，利用AHB實現(xiàn)ZVS的能力也取決于對電路寄生元素的透徹了解，比如變壓器漏電感、匝間電容和分立式器件的結(jié)電容。相比LLC控制中采用的可變頻率控制方法，固定頻率方案可以大大簡化次級端自驅(qū)動同步整流(SR)的任務(wù)。自驅(qū)動SR的柵極驅(qū)動電壓很容易由變壓器次級端推算出來。增加一個低端MOSFET驅(qū)動器，比如圖2所示的雙路4A FAN3224驅(qū)動器，就可以精確給出通過MOSFST米勒平坦區(qū)的電平轉(zhuǎn)換和高峰值驅(qū)動電流，從而確?？焖俑咝У腟R開關(guān)轉(zhuǎn)換。

圖2. FAN3224，利用

倍流整流器實現(xiàn)自驅(qū)動同步整流(SR)。

　　這種倍流整流器可用于任何雙端電源拓撲和大DC電流應(yīng)用，它具有好幾個突出的特性。首先，其次級端由一個簡單繞組構(gòu)成，可簡化變壓器結(jié)構(gòu)。其次，由于所需的輸出電感被分配在兩個電感器上，因大電流流入次級端而產(chǎn)生的功耗得到更有效的分布。第三，作為占空比(D)的函數(shù)，兩個電感紋波電流彼此抵消。抵消掉的兩個電感電流之和擁有兩倍于開關(guān)頻率的視在頻率(apparent frequency)，故允許更高的頻率，此外流入輸出電感的峰值電流更低。最后，在對稱轉(zhuǎn)換器 (推挽式、半橋、全橋) 中，每一個倍流電感都輸送一半輸出電流，而AHB卻不盡然。

　　加在次級端整流器上的電壓不對稱可能是AHB的缺點之一。當 AHB在其限值D=0.5附近工作時，加載的SR電壓幾乎可達到匹配 。然而，更合理的方案是，通過對變壓器的匝數(shù)比進行設(shè)計，使D在額定工作期間保持在0.25

　　為了說明該解決方案的可行性，采用一個交錯式雙BCM PFC升壓預(yù)調(diào)節(jié)器來滿足表1所示的規(guī)格，調(diào)節(jié)器之后是一個帶自驅(qū)動SR的不對稱半橋DC-DC轉(zhuǎn)換器，如圖1所示。

表1. 小型AC-DC電源設(shè)計規(guī)格。

　　表1中的規(guī)格是對全部設(shè)計要求的簡單小結(jié)。主要設(shè)計目標如下：

　　1. 在盡可能寬的范圍上獲得最大效率。

　　2. 實現(xiàn)盡可能小的設(shè)計尺寸。

　　3. 散熱器的使用和尺寸最小化。

　　在盡可能寬的負載范圍上獲得最大效率需要對每一個功率水平的材料和元件選擇進行仔細考慮，尤其是在磁性設(shè)計方面。由于交錯式BCM PFC的頻率可能高至數(shù)百kHz，且變化多達10:1，升壓電感必需定制設(shè)計。采用適當?shù)燃壍牡刃Ф喙山g合線可以盡量減小AC損耗，而AC損耗正是BCM PFC升壓電感中銅損耗的主要部分。應(yīng)該采用適合于高頻工作的開氣隙的鐵氧體材料，對于本例，選擇EPCOS的N87材料制作薄型EFD30鐵氧體磁芯組。測得的PFC效率如圖3所示。

圖3. 交錯式BCM PFC 測得的效率 (100%=330W)。

　　對于300W小型 AHB變壓器，一種解決方案是采用兩個水平磁芯結(jié)構(gòu)：初級端繞組串聯(lián)，次級端繞組并聯(lián)。這里必需使用兩個變壓器，因為每個磁芯的橫截面積Ae差不多是避免飽和所必需的150mm2的一半。要在一個不到20mm的小型元件上設(shè)計橫截面積150mm2的傳統(tǒng)形狀的磁芯是不可能的事情。類似于BCM PFC電感設(shè)計，這里也采用絞合線和高頻鐵氧體磁芯材料來保持高效率。最后一個重要設(shè)計步驟是把AHB變壓器中的漏電感量控制在允許范圍之內(nèi)。對于ZVS，需要某些特定的漏電感值，對于自驅(qū)動SR，需要調(diào)節(jié)時序延遲。在本設(shè)計中因變壓器產(chǎn)生的有效泄漏被優(yōu)化為7μH，也就是總體有效磁性電感的1.5%。300W AHB DC-DC轉(zhuǎn)換器測得的效率結(jié)果如圖4所示。

圖4. AHB 390V to 12V/25A，DC-DC 測得的效率(100%=300W) 　滿負載效率主要由轉(zhuǎn)換器功率水平的傳導損耗來決定，因此，在這些條件下，幾乎沒有一種控制器有所助益。不過，要保持較高的輕載效率，倒有好幾種控制器技術(shù)可供考慮。FAN9612是一款交錯式雙BCM PFC控制器，其利用一個內(nèi)部固定最大頻率鉗位來限制輕載下和AC輸入電壓的過零點附近的與頻率相關(guān)的Coss MOSFET開關(guān)損耗。在AC線電壓部分VIN>VOUT/2期間，采用谷底開關(guān)技術(shù)來感測最佳MOSFET導通時間，進一步降低Coss電容性開關(guān)損耗。另一方面，當VIN

圖5. PFC

相位管理 (1→2, 19%=64W ；2→1, 12%=42W)。

AHB隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)方案可采用AHB控制器FSFA2100來實現(xiàn)。FSFA2100在單個9腳SI