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倒置降压对于小功率AC/DC转换的优势

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2020-6-19 07:40:08 796

0 对于离线电源来说，反激拓扑是一种合理的解决方案。但是，如果设计的终端应用不需要隔离，那么与之相比，离线倒置降压拓扑具有更高的效率，并且BOM数量更少。这篇电源设计的文章，将会探讨倒置降压对于小功率AC/DC转换的优势。离线式电源是最常见的电源之一，也称为交流电源。随着越来越多的产品将典型的家庭功能集成在内，业界对输出能力在1W以下的小功率离线转换器的需求也越来越大。对于这些应用，最重要的设计方面是效率、集成和低成本。在决定拓扑结构时，反激拓扑通常是任何小功率离线转换器的首选。但是，如果不需要隔离，这就可能不是最好的方法。假设终端设备是一个智能灯开关，用户可以通过智能手机的app进行控制，那么在这种情况下，用户在操作过程中不可能接触到暴露的电压，因此就不需要隔离。对于离线电源来说，反激拓扑是一种合理的解决方案，因为其物料清单(BOM)数量较少，只有少数功率级元件，并且变压器在设计上可以处理较宽的输入电压范围。但是，如果设计的终端应用不需要隔离呢？如果是这样的话，考虑到输入是离线的，设计人员可能仍然想要使用反激拓扑。带集成式场效应晶体管(FET)和初级侧调节的控制器可以创建小型的反激解决方案。图1给出的非隔离反激转换器的典型原理图，使用带初级侧调节的UCC28910反激式开关电源IC进行设计。虽然这个方案可行，但与反激电源相比，离线倒置降压拓扑具有更高的效率，并且BOM数量更少。这篇电源设计的文章，将会探讨倒置降压对于小功率AC/DC转换的优势。图1：这种使用UCC28910反激开关电源IC的非隔离反激设计，可将AC转换为DC，但离线倒置拓扑可以更有效地完成此项工作。图2画出了倒置降压的功率级。和反激电源一样，它包含两个开关元件、一个磁性元件(是一个功率电感器而不是变压器)和两个电容器。顾名思义，倒置降压拓扑类似于降压转换器。开关产生一个介于输入电压和地之间的开关波形，然后通过电感电容网络滤波。区别在于输出电压稳压成低于输入电压的电位。即使输出“浮动”在输入电压以下，它仍然可以正常为下游电子电路供电。图2：倒置降压功率级的简化原理图将FET设置在低侧，反激控制器就可以直接对它驱动。图3所示的倒置降压拓扑使用UCC28910反激开关电源IC设计。1:1耦合电感器充当磁开关元件。一次绕组充当功率级的电感器。二次绕组为控制器提供定时和输出电压调节信息，并为控制器的本地偏置电源(VDD)电容器充电。图3：使用UCC28910反激开关电源IC的典型倒置降压拓扑设计反激拓扑的一个缺点是能量通过变压器传递的方式。这种拓扑在FET的导通时间内将能量存储在气隙中，然后在FET的关断时间内将其传输到次级。实际的变压器在初级侧会有一定的漏感。当能量转移到次级侧时，剩余的能量会存储在漏感中。这个能量是不能用的，需要使用齐纳二极管或电阻电容网络进行耗散。在降压拓扑中，漏电能在FET的关断时间内通过二极管D7传递到输出端。这样可以减少元器件数量并提高效率。另一个区别是每个磁性元件的设计和传导损耗。因为倒置降压拓扑只有一个绕组来传输电能，所以所有的电能传输电流都会通过它，这就实现了良好的铜利用率。反激拓扑则不具有这么好的铜利用率。当FET导通时，电流通过一次绕组，而二次绕组中却没有。当FET关断时，电流通过二次绕组，而一次绕组中却没有。因此，在反激式设计中，变压器要储存更多的能量，并且需要使用更多的铜来提供相同的输出功率。图4对具有相同输入、输出规格的降压转换器电感器和反激变压器的原、副边绕组的电流波形进行了比较。降压转换器电感器的波形在左侧的单独蓝色框中，反激转换器的原、副边绕组在右侧的两个红色框中。对于各种波形来说，传导损耗可以按均方根电流的平方乘以绕组电阻的方式来计算。因为降压转换器只有一个绕组，所以磁场中的总传导损耗就是这一个绕组的损耗。然而，反激转换器的总传导损耗是原、副边绕组损耗之和。此外，在相同的功率水平下，反激转换器中磁性元件的物理尺寸要比倒置降压设计更大。两个元件的储能均等于½L×IPK2。对于图4所示的波形，根据计算，倒置降压设计所需存储的电能仅为反激设计的1/4。因此，与相同功率的反激设计相比，倒置降压设计的尺寸要小得多。图4：降压拓扑与反激拓扑中电流波形的比较当不需要隔离时，反激拓扑并不总是小功率离线应用的最佳解决方案。倒置降压拓扑由于可以使用更小的变压器/电感器，因此可以提供更高的效率和更低的BOM成本。对于电力电子领域的设计人员来说，对于给定的规格，必须要考虑所有可能的拓扑解决方案，从而确定最佳匹配。 1
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