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，反激拓撲是一種合理的解決方案。但是，如果設(shè)計的終端應(yīng)用不需要隔離，那么與之相比，離線倒置降壓拓撲具有更高的效率，并且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。

在決定拓撲結(jié)構(gòu)時，反激拓撲通常是任何小功率離線轉(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的app進行控制，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，反激拓撲是一種合理的解決方案，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撲。帶集成式場效應(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，離線倒置降壓拓撲具有更高的效率，并且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，但離線倒置拓撲可以更有效地完成此項工作。

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，倒置降壓拓撲類似于降壓轉(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所示的倒置降壓拓撲使用UCC28910反激開關(guān)電源IC設(shè)計。1:1耦合電感器充當磁開關(guān)元件。一次繞組充當功率級的電感器。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的典型倒置降壓拓撲設(shè)計

反激拓撲的一個缺點是能量通過變壓器傳遞的方式。這種拓撲在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)酱渭墶嶋H的變壓器在初級側(cè)會有一定的漏感。當能量轉(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)進行耗散。

在降壓拓撲中，漏電能在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。因為倒置降壓拓撲只有一個繞組來傳輸電能，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。反激拓撲則不具有這么好的銅利用率。當FET導(dǎo)通時，電流通過一次繞組，而二次繞組中卻沒有。當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行了比較。降壓轉(zhuǎn)換器電感器的波形在左側(cè)的單獨藍色框中，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?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：降壓拓撲與反激拓撲中電流波形的比較

當不需要隔離時，反激拓撲并不總是小功率離線應(yīng)用的最佳解決方案。倒置降壓拓撲由于可以使用更小的變壓器/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撲解決方案，從而確定最佳匹配。

來源：北京穩(wěn)固得電源