簡(jiǎn)化離線式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

　　與傳統(tǒng)的線性電源相比,開(kāi)關(guān)電源具有許多優(yōu)點(diǎn)。在通常情況下,如果只需要一個(gè)直流輸出,采用一個(gè)變壓器、整流器和濾波電容就可構(gòu)成線性電源。有時(shí),可采用一個(gè)線性穩(wěn)壓器提供穩(wěn)壓輸出。這種系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單,所以成本通常較低。而開(kāi)關(guān)電源通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴,所以線性電源獲得了廣泛應(yīng)用。表1列出了兩種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

表1線性與開(kāi)關(guān)電源對(duì)比

　　開(kāi)關(guān)電源電路有許多種,但最常見(jiàn)的是反激式轉(zhuǎn)換器,其原理如圖1所示,電源輸入首先經(jīng)過(guò)整流,然后濾波,接下來(lái)經(jīng)過(guò)變壓器和初級(jí)開(kāi)關(guān),以及初級(jí)控制器;這個(gè)控制器根據(jù)反饋信號(hào)來(lái)改變開(kāi)關(guān)的占空比,反饋信號(hào)是由次級(jí)反饋而來(lái)。

　　盡管可采用電感器,但所示設(shè)計(jì)采用的是未隔離的變壓器。隔離設(shè)計(jì)在離線設(shè)備中更為常見(jiàn),在離線設(shè)備中,變壓器具有隔離作用,可方便地實(shí)現(xiàn)占空比調(diào)整。反激式開(kāi)關(guān)電源可在非連續(xù)導(dǎo)通和連續(xù)導(dǎo)通兩種模式下工作,不連續(xù)導(dǎo)通模式如圖2所示。Ilm和Vlm是變壓器磁化電感通過(guò)的電流和施加的電壓。

表2開(kāi)關(guān)電源的兩種導(dǎo)通模式

　　當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí),電壓施加在變壓器初級(jí)的兩端,因?yàn)榇藭r(shí)次級(jí)二極管是截止的,變壓器所起的作用就像電感器。經(jīng)過(guò)初級(jí)線圈的電流會(huì)上升,同時(shí)能量?jī)?chǔ)存在磁通量中。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí),次級(jí)二極管導(dǎo)通,電流通過(guò)次級(jí)時(shí)會(huì)下降,因?yàn)槟芰勘晦D(zhuǎn)換至次邊大容量電容器。如果電流經(jīng)過(guò)磁化電感區(qū)后降至零,這是不連續(xù)導(dǎo)通模式。如果磁化電流未降至零,如圖3所示,則系統(tǒng)以連續(xù)導(dǎo)通模式工作。

　　表2列出了兩種模式的優(yōu)缺點(diǎn)。
　　兩種模式各有其優(yōu)缺點(diǎn),可根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行選擇?？梢蕴暨x大負(fù)載的連續(xù)模式設(shè)計(jì),或選擇小負(fù)載的非連續(xù)模式設(shè)計(jì)。有電壓和電流兩種控制模式,在電壓模式中,次邊電壓被反饋,直接控制工作循環(huán);而在電流模式中,次邊電壓被反饋,控制最大的開(kāi)關(guān)電流,即控制IC的PWM部分使開(kāi)關(guān)閉合,當(dāng)電流達(dá)到反饋設(shè)定的極限時(shí),開(kāi)關(guān)就斷開(kāi)。

控制器的選擇
　　過(guò)去,大多數(shù)SMPS系統(tǒng)采用分立控制器IC和用場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)作為開(kāi)關(guān),現(xiàn)在可以采用集成控制器,這些集成器件針對(duì)各種功率級(jí)別和應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化,通常可分為雙芯片式和單芯片式兩類。雙芯片式包括控制器芯片和MOSFET芯片,而單芯片式僅有一個(gè)芯片,一般采用BCDMOS工藝制造。采用BCDMOS工藝制造高壓功率MOSFET器件,它的局限性多于采用優(yōu)化MOSFET工藝制造的器件。通常,采用BCDMOS工藝制造的芯片的單位面積RDS(on)值會(huì)高出許多。

　　然而,單芯片解決方案的成本較低,在低功率應(yīng)用領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)。因此,一般是為高功率應(yīng)用選擇雙芯片方案,而為低功率應(yīng)用選擇單芯片方案,高低功率的分界點(diǎn)在15至20W左右,飛兆半導(dǎo)體有提供兩種類型的功率開(kāi)關(guān)。

應(yīng)用實(shí)例
　　圖4所示為采用KA5M0365R的通用開(kāi)關(guān)模式電源的電路圖,KA5M0365R是雙芯片器件。電源的輸入電壓為85～265VAC,開(kāi)關(guān)頻率為66kHz,輸出為3.3V、1.2A,5V、1.5A,9V、0.5A和33V、0.1A。

　　內(nèi)部MOSFET的額定值為3A和650V,但不是簡(jiǎn)單的MOSFET,而是SenseFET,其源極面積約有1%被隔離出來(lái),形成次感應(yīng)源極。漏極電流的1%來(lái)自感應(yīng)源極,它流經(jīng)集成電阻器,便于準(zhǔn)確地測(cè)量電流值,不存在與外部電流采樣電阻器相關(guān)的損耗。

　　自線路輸入端開(kāi)始,首先是一個(gè)用于抑制EMI的濾波器,接下來(lái)是橋型整流器、NTC電阻器和濾波電容器。NTC電阻器用于避免開(kāi)關(guān)閉合時(shí)的電流浪涌。在第一次接通電源時(shí),FPS以旁路模式工作,吸收極少的電流,Vcc電容器被充電,一旦達(dá)到電壓鎖定閾值15V范圍的上限,該器件就開(kāi)始開(kāi)關(guān),它的電流需求增加,Vcc電壓開(kāi)始下降。然而,假定Vcc電容器足夠大,Vcc電壓仍保持在電壓鎖定閾值范圍的較低水平,在正常運(yùn)作期間,第三線圈開(kāi)始供電。

　　緩沖網(wǎng)絡(luò)(Snubber Network)連接在變壓器初級(jí)的兩端,以確保變壓器泄漏電感引起的尖峰信號(hào),不會(huì)造成開(kāi)關(guān)漏極電壓超過(guò)其擊穿電壓。如果超過(guò)擊穿電壓,器件會(huì)發(fā)生雪崩,由于它具有一定的雪崩額定值,這樣僅僅多消耗一點(diǎn)功率,不需配置昂貴的齊納緩沖器。

　　有四個(gè)次級(jí)線圈提供四路電壓輸出,通過(guò)一個(gè)光耦,由431型電壓參考器提供反饋信號(hào)。

保護(hù)功能
　　所有的離線式電源必須達(dá)到一定的安全標(biāo)準(zhǔn),圖4所示的設(shè)計(jì)具有良好的保護(hù)功能,得益于控制器具有的過(guò)載保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、欠壓保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)特性。

　　如果電源超負(fù)載但未短路,輸出電壓將會(huì)降低,反饋電壓上升,占空比增加以進(jìn)行補(bǔ)償。然而,因?yàn)槌踹呺娏饔邢?可轉(zhuǎn)換的最大功率也是有限的,因此反饋電壓將繼續(xù)上升。一旦它達(dá)到閾值,器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)作就會(huì)停止。過(guò)載保護(hù)可延時(shí)以避免負(fù)載瞬變導(dǎo)致的錯(cuò)誤觸發(fā)。如果在反饋回路中出現(xiàn)開(kāi)路故障,反饋引腳電壓將上升,導(dǎo)致工作循環(huán)增加,輸出電壓也將上升,Vcc引腳電壓同樣也上升,一旦Vcc電壓達(dá)到保護(hù)閾值,設(shè)備就關(guān)閉,以避免損害次級(jí)。

　　如果在反饋回路中出現(xiàn)短路故障,反饋引腳將接地,器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)作也會(huì)停止。如果次級(jí)整流器發(fā)生短路,或負(fù)載短路,在開(kāi)關(guān)閉合之后,立即有大電流流經(jīng)開(kāi)關(guān),從而造成損害。因此,器件會(huì)測(cè)量在開(kāi)關(guān)閉合后極短時(shí)間內(nèi)的電流,如果電流值比閾值高,器件會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。如果器件試著自動(dòng)重新啟動(dòng),保護(hù)功能會(huì)鎖死開(kāi)關(guān)動(dòng)作以避免重復(fù)的應(yīng)力。另外,器件具有前沿屏蔽功能。

針對(duì)特定應(yīng)用的改進(jìn)
　　低功率電源常常是備用、輔助電源,或用于內(nèi)務(wù)處理,FSDH0165或FSDH565等單芯片器件適用于此類電源,芯片集成了控制器和SenseFET。

　　由于器件采用BCDMOS技術(shù)制造,不存在起動(dòng)電阻器。有可能將高壓整流電源直接連接到器件上,其起動(dòng)與雙芯片器件相似,然而,區(qū)別是該器件用內(nèi)部電流源為Vcc電容器充電,一旦Vcc引腳電壓達(dá)到閾值電壓,器件起動(dòng),電流源從內(nèi)部斷開(kāi),因此在正常運(yùn)作期間,不從電路中直接吸取能量,因而效率提高。對(duì)于較高功率電源,可采用圖5所示的系統(tǒng),它與先前的系統(tǒng)很相似,但它以準(zhǔn)諧振模式工作,Lm不是一個(gè)單獨(dú)的元件,而是變壓器的一部分。

　　在這種模式下,開(kāi)關(guān)頻率與輸入電壓和負(fù)載水平無(wú)關(guān),在低輸入電壓和大負(fù)載的情況下,頻率降低,而在高輸入電壓和小負(fù)載的情況下,開(kāi)關(guān)頻率升高。在最大輸入電壓下,所需頻率不應(yīng)超過(guò)最高開(kāi)關(guān)頻率150kHz,因此施加的負(fù)載應(yīng)有所限制。準(zhǔn)諧振模式的優(yōu)點(diǎn)是EMI較低和效率較高。

　　這里未出現(xiàn)先前所用的傳統(tǒng)RCD(電阻器電容器二極管)緩沖器,作為替代,采用一個(gè)與開(kāi)關(guān)并聯(lián)的小型電容器,電源開(kāi)關(guān)配有一個(gè)額外的同步引腳,用于開(kāi)通SenseFET。在次級(jí)二極管截止之前,其工作與非連續(xù)電流反激方式基本相同。在初級(jí)二極管截止后,開(kāi)關(guān)管漏極開(kāi)始振鈴動(dòng)作,頻率由串聯(lián)的電容器和初級(jí)電感量所決定。同步引腳電壓開(kāi)始下降,當(dāng)電壓超過(guò)閾值時(shí),開(kāi)關(guān)再次閉合。選擇合適的同步引腳元件,使得漏極電壓達(dá)到最小值時(shí),同步電壓達(dá)到閾值。該系統(tǒng)為軟開(kāi)關(guān)型,具有很小的EMI,因?yàn)槁O電壓很小,開(kāi)關(guān)損耗也降至最低。

　　但這里忽略了功率因數(shù)校正問(wèn)題,因?yàn)樵跉W洲已經(jīng)要求所有功耗超過(guò)75W的設(shè)備需進(jìn)行功率因數(shù)校正。

　　有幾種方法可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正,從簡(jiǎn)單的無(wú)源解決方案到較復(fù)雜和性能較好的有源解決方案。飛兆半導(dǎo)體的ML4803采用小型8引腳封裝,集成了PFC和PWM SMPS控制器,在技術(shù)和成本具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。

　　現(xiàn)在已經(jīng)有多種適合不同應(yīng)用和功率范圍的器件,使離線式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)變得更為簡(jiǎn)單。