符合新興高效能電源要求的設計

美國環(huán)保署(EPA)的能源之星(Energy Star)計劃在2007年7月20日正式開(kāi)始實(shí)施，這是針對個(gè)人電腦在不同負載下最低效能要求的規范。同時(shí)，它也為其他設備，包括企業(yè)服務(wù)器、外部電源(使用在如游戲機或筆記本電腦等)以及一系列家用設備規劃或制定了類(lèi)似的要求。由于能源之星在制定時(shí)都會(huì )和其他國家和地區的同類(lèi)機構合作，因此它已在這些國家得到了采用。 電壓計 | 測試器 | 電力計 | 水分測定儀 | 相序表 | 工具箱 | 零件盒 | 金屬探測器 | 測距儀 | 溫濕度儀 | 水份計 | 酸堿度計 | 電流表 | 尖嘴鉗 | 頻閃儀 | 鉤表 | VOC檢測儀

　　電源在降低功耗上舉足輕重，因此面對法規標準和消費者的更高要求時(shí)，重新檢討其設計方式就顯得非常急迫。固然可以改進(jìn)傳統的拓撲結構來(lái)達到更高效能要求，但可以明顯地看出，沿用舊式設計方式的產(chǎn)品，其性?xún)r(jià)比將會(huì )低。在本文中，我們將提出兩個(gè)能符合更高效能要求，并可控制目標本錢(qián)的設計方式，并將之和傳統的拓撲結構進(jìn)行比較。

　　傳統的拓撲結構

　　為特定應用選擇拓撲結構時(shí)有幾個(gè)考慮因素，包括輸進(jìn)電壓范圍是全球通用還是只針對特定地區，輸出電壓是單一還是多重(電流大小也是重要的條件)，效能目標，特別是在不同負載下的效能表現。傳統上，在大批量生產(chǎn)電源時(shí)多以本錢(qián)，設計工程師對拓撲結構的熟悉度以及元件是否輕易采購為考慮因素，其他因素還包括設計是否輕易實(shí)

　　現和設計方式是否在電源產(chǎn)業(yè)鏈中為大家所熟知等。

　　較受歡迎的傳統設計方式主要為單開(kāi)關(guān)正向、雙開(kāi)關(guān)正向和半橋結構，這些結構提供了滿(mǎn)足目前需求的穩固解決方案。不過(guò)如上所述，新興的標準需要電源能夠達成比先前更高的效能。過(guò)往，典型的臺式電腦電源可以達到60%～70%的最高效能，但現在則要求電源在額定負載的20%、50%和100%時(shí)都能達到最低80%的效能。同時(shí)，最近更出現了�？茨軌蛟诘陀�20%負載時(shí)達到70%或以上效能的趨勢，且待機功耗能夠持續下降。我們將探討三種傳統拓撲的優(yōu)缺點(diǎn)，并先容兩種新型的拓撲。

　　1 單開(kāi)關(guān)正向

　　圖1中的這個(gè)拓撲相當受到歡迎，主要原因是元件數少且設計要求簡(jiǎn)單，但對于不同負載情況的高效能要求卻為這個(gè)拓撲帶來(lái)新挑戰。在接近滿(mǎn)載或滿(mǎn)載時(shí)，這個(gè)拓撲的效能受到50%占空比的限制。而在較輕負載時(shí)，開(kāi)關(guān)耗損是造成效能不佳的主要原因。很多較新的設計采用功率因數校正(PFC)前端來(lái)降低諧波電流，在400 V的PFC輸出電壓下，單開(kāi)關(guān)正向方式被迫使用大于900 V的開(kāi)關(guān)，進(jìn)步了FET的本錢(qián)。

　　圖1  單開(kāi)關(guān)正向拓補

　　2 雙開(kāi)關(guān)正向

　　圖2是另一個(gè)使用相當普遍的拓撲，它是解決開(kāi)關(guān)電壓限制題目的升級版本。這依舊是一個(gè)會(huì )有高開(kāi)關(guān)耗損的硬開(kāi)關(guān)電路。其所帶來(lái)的題目是需要使用門(mén)極驅動(dòng)變壓器或芯片驅動(dòng)電路來(lái)推動(dòng)高電壓端MOSFET。

　　圖2  雙開(kāi)關(guān)正向拓補

　　3 半橋

　　圖3中的半橋變壓器是高功率要求的另一個(gè)選擇。和單開(kāi)關(guān)或雙開(kāi)關(guān)正向變壓器相反，半橋變壓器可以在兩個(gè)象限工作并降低原邊FET的電流。變壓器組成結構和輸出整流比單一正向拓撲結構復雜，也存在高開(kāi)關(guān)耗損題目。

　　圖3  半橋拓補電路結構

　　新興拓撲結構

　　為了符合更高效能的要求，業(yè)界已開(kāi)發(fā)了數種新的拓撲結構。這些新電路拓撲不一定是指新發(fā)明，而是新近在貿易大批量應用的。其中，兩種最受重視的拓撲分別為有源鉗位正激和雙電感加電容(LLC)。

　　1 有源鉗位正激

　　圖4中的有源鉗位正激拓撲是一個(gè)存在已久的軟開(kāi)關(guān)結構，固然這種結構和傳統的正向式拓撲結構類(lèi)似，但過(guò)往一直被視為是難以實(shí)現的結構，因此主要應用在特殊領(lǐng)域，比如電信領(lǐng)域。不過(guò)，隨著(zhù)新IC的推出，這種結構的實(shí)現變得非常簡(jiǎn)單。

　　圖4  采用安森美半導體NCP1562的有源鉗位正激拓補結構

　　在這個(gè)拓撲結構中，變壓器在主開(kāi)關(guān)的整個(gè)封閉時(shí)間內通過(guò)附屬開(kāi)關(guān)串行的電容進(jìn)行復位，這樣做可以消除單開(kāi)關(guān)正向結構中的無(wú)效時(shí)間。它的主要優(yōu)點(diǎn)包括低開(kāi)關(guān)耗損，可在50%以上占空比工作，降低了原邊開(kāi)關(guān)的電流應力。同時(shí)，這個(gè)結構也提供了自驅動(dòng)同步整流功能，省往了專(zhuān)用門(mén)極驅動(dòng)電路。加之低電壓MOSFET越來(lái)越低的價(jià)格，采用MOSFET和同步整流已經(jīng)成為實(shí)現低輸出電壓高電流整流的可行方案。

　　使用有源鉗位器件和進(jìn)行有源鉗位FET的控制固然看起來(lái)會(huì )增加電路的復雜度，但卻可以通過(guò)節省緩沖電路、復位電路和較低整體開(kāi)關(guān)要求加以補償。這個(gè)結構也能夠在寬廣的輸進(jìn)電壓范圍下工作，因而適合多種應用，包括電視游戲機。

　　這個(gè)結構的主要缺點(diǎn)是沒(méi)有大批量應用，比如在計算機中，因此一般臺式機的設計工程師對它感到陌生。不過(guò)隨著(zhù)像安森美半導體等公司不斷推生產(chǎn)品，這個(gè)拓撲結構的實(shí)現難度已經(jīng)降低了。在較大批量應用中采用這個(gè)結構也能夠降低采用元件的本錢(qián)。這個(gè)拓撲的另一缺點(diǎn)是，和雙開(kāi)關(guān)正向或半橋變壓器比較，需要較高額定電壓的開(kāi)關(guān)。 <-- 2007-12-5 23:37:38-->       2 LLC諧振半橋

　　圖5中的LLC拓撲結構特別適用需要高輸出電壓的場(chǎng)合，如液晶和等離子電視等應用。

　　圖5  LLC諧振半橋拓補結構

　　和有源鉗位拓撲一樣，這也是一款因超低開(kāi)關(guān)耗損達到超高效能的軟開(kāi)關(guān)拓撲結構。其他優(yōu)點(diǎn)還包括不需輸出電感，因此可以降低實(shí)現的整體本錢(qián)。最后，由于采用半橋配置，可以降低原邊元件的壓力。

　　另一方面，這個(gè)結構也有一些缺點(diǎn)，最主要的是增加了復雜的磁性設計，輸出電容上的高紋波電流和可變頻率。同時(shí)，這個(gè)結構在設計較寬輸進(jìn)電壓范圍上也比較困難。

　　各式拓撲結構的比較

　　固然我們無(wú)法采用單一拓撲結構作為所有應用的解決方案，但卻可以依具體情況來(lái)決定采用何種電路結構。在這里，我們使用12V、20A輸出的變壓器設計來(lái)比較以上所述各式結構的差異，比較重點(diǎn)放在主要的設計題目，如原邊開(kāi)關(guān)、整流器、磁性、存儲電容等。固然還有其他差異點(diǎn)，但不在本文的討論范圍內。各式拓撲結構的差異結構總結如下。

　　● 原邊開(kāi)關(guān)：在300～400Vdc的輸進(jìn)電壓范圍，有源鉗位變壓器的原邊峰值電流最低，單開(kāi)關(guān)和雙開(kāi)關(guān)正向拓撲則擁有和有源鉗位

　　類(lèi)似的RMS電流，但卻因MOSFET額定電壓而會(huì )有較大的導電耗損。

　　● 諧振半橋變壓器的直流次級整流器電壓應力最低，接著(zhù)是有源鉗位，然后是單開(kāi)關(guān)和雙開(kāi)關(guān)正向變壓器。由于開(kāi)關(guān)突波的關(guān)系，傳統電路結構上的壓力更高。

　　● 保持時(shí)間要求可以通過(guò)增大電容容值或變壓器輸進(jìn)范圍來(lái)達到。

　　● 在磁性方面，諧振半橋通過(guò)移除輸出電感提供明顯的簡(jiǎn)化，不過(guò)在變壓器設計上則會(huì )有相當高的挑戰性。和傳統正向變壓器比較，有源鉗位變壓器在相同頻率下的輸出電感可以減小約13%。

　　● 諧振半橋變壓器由于沒(méi)有輸出電感，因此輸出電容電流紋波最高。

　　● 有源鉗位正激變壓器的開(kāi)關(guān)頻率可以推升到更高(200～300kHz)，硬開(kāi)關(guān)拓撲結構則在150kHz以下。諧振半橋是一個(gè)可變頻率的變壓器，在滿(mǎn)載低電源電壓時(shí)，其最低頻率通常設定在60～70kHz；高電源電壓輕載工作時(shí)，最高頻率可以達到數百kHz.