高功率密度工業(yè)電源的實現(xiàn)

工業(yè)電源必需滿足一些特殊的要求，如低功耗(以減輕機箱冷卻方面的負擔)、高功率密度(以減小空間要求)、高可靠性和高耐用性，以及其它在普通電源中不常見的特性，如易于并聯(lián)、遙控和某些過載保護功能等。同時，它對EMI和穩(wěn)定性的要求也比其它應用更為嚴格。本文詳細分析了一個400W電源的設計實例，闡釋了初級端和次級端電源模塊的運用，以及其它提高性能的方法。除了在電氣方面的改進外，模塊還采用統(tǒng)一的外形尺寸，便于實現(xiàn)精細緊湊的機械設計并減少安裝和物流成本。事實上，兩個模塊可具有不同額定功率，從而大大縮短了上市時間。

　　功率因數校正級(PFC),加上總線或DC鏈路電容，對于許多無法單獨優(yōu)化的不同因素來說是十分關鍵的?，F(xiàn)在，大部分電源都采用了有源PFC電路，亦即升壓轉換器，確保輸入電流與輸入電壓同相，使輸入端的正弦波失真最小化，從而減小傳導EMI，實現(xiàn)寬輸入范圍(85VAC ~ 265VAC)。而且，這個升壓轉換器會根據輸入電壓調節(jié)自己的占空比和輸入電流，并把總線電容的電壓調節(jié)到350V ~ 400V。然而，如果升壓轉換器不是有源的(例如在啟動狀態(tài))，電流可能流經輸入整流器，進入升壓電感和二極管，再到空的總線電容，最終產生很大的浪涌電流。要避免這一問題，需要額外的限流電路，否則可能觸發(fā)電網熔絲。在高可靠性或關鍵任務應用中，由于對保持時間和節(jié)電保護的要求更嚴格，因此總線電容必須增大，這使得浪涌電流變得更大。在某些情況下，需要一個NTC電阻，但在“熱”啟動(如停電)時，NTC仍然很熱，不能提供保護。根據DIN-EN 61204標準，測試方法針對兩種情況：70%的額定輸入電壓，20ms;以及40%的額定輸入電壓，100mS。第二種情況對沒有有源PFC的電源而言可謂相當棘手。

　　脈寬調制級(PWM)是主要的轉換器級。其中DC電壓被斬波為更高頻率的方波，因此利用更小的變壓器就可以轉換到另一個電壓級并提供隔離。并非所有的拓撲都采用占空比變化的方波，有些拓撲采用的是變頻，還有的則是改變兩個脈沖序列之間的相位。這一級主要確定轉換器的效率和負載調節(jié)。轉換器效率十分重要，首先它關系電源的運行成本;其次是必須通過機箱冷卻來散除產生的熱量;第三是熱組件越大，就越昂貴，占用空間也越大。這三個因素與電源的使用壽命成本關系重大。工業(yè)電源的各個不同級及每級的主要特性

　　轉換器拓撲的選擇對效率和輻射EMI都至關重要，因為功率開關越傾向于硬開關，產生的dI/dt和dV/dt就很大，同時電流和電壓就越高，這會導致開關頻率諧波的大量產生。在各種拓撲中，諧振或準諧振拓撲都頗具優(yōu)勢但較難設計，尤其是諧振拓撲，很難在寬泛的負載范圍上實現(xiàn)。下文中描述的LLC拓撲具有在寬負載范圍內有限的開關頻率變化以及軟開關，很容易解決這一問題。

　　PWM級也是所有必須保護功能的核心所在。在電流模式轉換器的情況下，逐周期限流器可保護電源免受大部分輸出問題的傷害，這些問題通常與熱關斷有關。

　　同步整流級(SR)把變壓器產生的交流電壓轉換回直流電壓。由于電壓很低，電流往往相當高，故整流器的傳導損耗必須最小化。若采用硅PN結二極管可以獲得0.7V的正向電壓，則采用肖特基二極管可達到0.4V。要獲得更低的電壓級就需采用MOSFET，這時電壓級由導通阻抗RDS(ON) 和輸出電流決定，且比前兩種情況要低得多。但因為MOSFET是有源器件，故需要一個適當的柵極驅動信號來完成，如果設計良好，這一級的功耗可大幅度減小，從而進一步提高效率。此外，利用先進的低電感封裝技術，設計還可以非常緊湊耐用。