世界各地有關(guān)降低電子系統(tǒng)能耗的各種倡議,正促使單相交流輸入電源設(shè)計人員采用更先進(jìn)的電源技術(shù)。為了獲得更高的功率級,這些倡議要求效率達(dá)到87% 及以上。由于標(biāo)準(zhǔn)反激式 (flyback) 和雙開關(guān)正激式等傳統(tǒng)電源拓?fù)涠疾恢С诌@些高效率級...要設(shè)計一個高效率的電源,就需要電源工程師牢牢掌握電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的扎實基本功。基于此,為了使廣大工程師對電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能有一個比較清晰的認(rèn)識,電子發(fā)燒友網(wǎng)推出《電源設(shè)計關(guān)鍵之拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)》系列文章,以饗讀者。敬請留意后續(xù)章節(jié)。
一、開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)概述
主回路—開關(guān)電源中,功率電流流經(jīng)的通路。主回路一般包含了開關(guān)電源中的開關(guān)器件、儲能器件、脈沖變壓器、濾波器、輸出整流器、等所有功率器件,以及供電輸入端和負(fù)載端。
開關(guān)電源(直流變換器)的類型很多,在研究開發(fā)或者維修電源系統(tǒng)時,全面了解開關(guān)電源主回路的各種基本類型,以及工作原理,具有極其重要的意義。
開關(guān)電源主回路可以分為隔離式與非隔離式兩大類型。
1. 非隔離式電路的類型:
非隔離——輸入端與輸出端電氣相通,沒有隔離。
1.1. 串聯(lián)式結(jié)構(gòu)
串聯(lián)——在主回路中開關(guān)器件(下圖中所示的開關(guān)三極管T)與輸入端、輸出端、電感器L、負(fù)載RL四者成串聯(lián)連接的關(guān)系。
開關(guān)管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài),當(dāng)開關(guān)管T導(dǎo)通時,輸入端電源通過開關(guān)管T及電感器L對負(fù)載供電,并同時對電感器L充電,當(dāng)開關(guān)管T關(guān)斷時,電感器L中的反向電動勢使續(xù)流二極管D自動導(dǎo)通,電感器L中儲存的能量通過續(xù)流二極管D形成的回路,對負(fù)載R繼續(xù)供電,從而保證了負(fù)載端獲得連續(xù)的電流。
串聯(lián)式結(jié)構(gòu),只能獲得低于輸入電壓的輸出電壓,因此為降壓式變換。
1.2. 并聯(lián)式結(jié)構(gòu)
并聯(lián)——在主回路中,相對于輸入端而言,開關(guān)器件(下圖中所示的開關(guān)三極管T)與輸出端負(fù)載成并聯(lián)連接的關(guān)系。
開關(guān)管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài),當(dāng)開關(guān)管T導(dǎo)通時,輸入端電源通過開關(guān)管T對電感器L充電,同時續(xù)流二極管D關(guān)斷,負(fù)載R靠電容器存儲的電能供電;當(dāng)開關(guān)管T關(guān)斷時,續(xù)流二極管D導(dǎo)通,輸入端電源電壓與電感器L中的自感電動勢正向疊加后,通過續(xù)流二極管D對負(fù)載R供電,并同時對電容器C充電。
由此可見,并聯(lián)式結(jié)構(gòu)中,可以獲得高于輸入電壓的輸出電壓,因此為升壓式變換。并且為了獲得連續(xù)的負(fù)載電流,并聯(lián)結(jié)構(gòu)比串聯(lián)結(jié)果對輸出濾波電容C的容量有更高的要求。
1.3.極性反轉(zhuǎn)型變換器結(jié)構(gòu)
極性反轉(zhuǎn)——輸出電壓與輸入電壓的極性相反。電路的基本結(jié)構(gòu)特征是:在主回路中,相對于輸入端而言,電感器L與負(fù)載成并聯(lián)。
開關(guān)管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài),工作過程與并聯(lián)式結(jié)構(gòu)相似,當(dāng)開關(guān)管T導(dǎo)通時,輸入端電源通過開關(guān)管T對電感器L充電,同時續(xù)流二極管D關(guān)斷,負(fù)載RL 靠電容器存儲的電能供電;當(dāng)開關(guān)管T關(guān)斷時,續(xù)流二極管D導(dǎo)通,電感器L中的自感電動勢通過續(xù)流二極管D對負(fù)載RL供電,并同時對電容器C充電;由于續(xù)流二極管D的反向極性,使輸出端獲得相反極性的電壓輸出。
2. 隔離式電路的類型:
隔離——輸入端與輸出端電氣不相通,通過脈沖變壓器的磁偶合方式傳遞能量,輸入輸出完全電氣隔離。
2.1. 單端正激式
單端——通過一只開關(guān)器件單向驅(qū)動脈沖變壓器;
正激——脈沖變壓器的原/付邊相位關(guān)系,確保在開關(guān)管導(dǎo)通,驅(qū)動脈沖變壓器原邊時,變壓器付邊同時對負(fù)載供電。
該電路的最大問題是:開關(guān)管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài),當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時,脈沖變壓器處于“空載”狀態(tài),其中儲存的磁能將被積累到下一個周期,直至電感器飽和,使開關(guān)器件燒毀。圖中的D3與N3構(gòu)成的磁通復(fù)位電路,提供了泄放多余磁能的渠道。
2.2. 單端反激式
反激式電路與正激式電路相反,脈沖變壓器的原/付邊相位關(guān)系,確保當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通,驅(qū)動脈沖變壓器原邊時,變壓器付邊不對負(fù)載供電,即原/付邊交錯通斷。脈沖變壓器磁能被積累的問題容易解決,但是,由于變壓器存在漏感,將在原邊形成電壓尖峰,可能擊穿開關(guān)器件,需要設(shè)置電壓鉗位電路予以保護(hù)D3、N3構(gòu)成的回路。從電路原理圖上看,反激式與正激式很相象,表面上只是變壓器同名端的區(qū)別,但電路的工作方式不同,D3、N3的作用也不同。
2.3. 推挽(變壓器中心抽頭)式
這種電路結(jié)構(gòu)的特點是:對稱性結(jié)構(gòu),脈沖變壓器原邊是兩個對稱線圈,兩只開關(guān)管接成對稱關(guān)系,輪流通斷,工作過程類似于線性放大電路中的乙類推挽功率放大器。
主要優(yōu)點:高頻變壓器磁芯利用率高(與單端電路相比)、電源電壓利用率高(與后面要敘述的半橋電路相比)、輸出功率大、兩管基極均為低電平,驅(qū)動電路簡單。
主要缺點:變壓器繞組利用率低、對開關(guān)管的耐壓要求比較高(至少是電源電壓的兩倍)。
2.4. 全橋式
這種電路結(jié)構(gòu)的特點是:由四只相同的開關(guān)管接成電橋結(jié)構(gòu)驅(qū)動脈沖變壓器原邊。
圖中T1、T4為一對,由同一組信號驅(qū)動,同時導(dǎo)通/關(guān)端;T2、T3為另一對,由另一組信號驅(qū)動,同時導(dǎo)通/關(guān)端。兩對開關(guān)管輪流通/斷,在變壓器原邊線圈中形成正/負(fù)交變的脈沖電流。
主要優(yōu)點:與推挽結(jié)構(gòu)相比,原邊繞組減少了一半,開關(guān)管耐壓降低一半。
主要缺點:使用的開關(guān)管數(shù)量多,且要求參數(shù)一致性好,驅(qū)動電路復(fù)雜,實現(xiàn)同步比較困難。這種電路結(jié)構(gòu)通常使用在1KW以上超大功率開關(guān)電源電路中。
2.5. 半橋式
電路的結(jié)構(gòu)類似于全橋式,只是把其中的兩只開關(guān)管(T3、T4)換成了兩只等值大電容C1、C2。
主要優(yōu)點:具有一定的抗不平衡能力,對電路對稱性要求不很嚴(yán)格;適應(yīng)的功率范圍較大,從幾十瓦到千瓦都可以;開關(guān)管耐壓要求較低;電路成本比全橋電路低等。這種電路常常被用于各種非穩(wěn)壓輸出的DC變換器,如電子熒光燈驅(qū)動電路中。
二、為什么要選擇反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?
條件:Vin=25~125V,Vout=12.5,Iout=32
為什么選用反激拓?fù)洌?/p>
許多書籍都有提到,反激拓?fù)溥m用于150W以下功率,但是具體的原因卻很少分析,我嘗試做些解釋。從三個方面分析:開關(guān)管、磁性器件、電容。
初級開關(guān)管(MOSFET)。假設(shè)輸入電壓恒定為60V,情況同上。從兩個方面考慮反激、正激、半橋:選用mosfet的最大耐壓和流過mosfet的最大電流有效值。
可見在理想狀態(tài)下,三種拓?fù)涞牟顒e并沒有體現(xiàn)在初級mosfet的導(dǎo)通損耗上(注意半橋使用了兩個功率mosfet),開關(guān)管的另一個損耗是開關(guān)損耗,公式的推導(dǎo)見EXEL文件。假設(shè)開通關(guān)斷有相同損耗,電感量無窮大,則計算公式如下:
反激:
正激:
半橋:
從公式可以看出,在只針對一個輸入電壓點優(yōu)化的情況下,反激的開關(guān)損耗最大,正激和半橋沒有區(qū)別,這是限制反激大功率運用的一個原因。
次級mosfet
次級mosfet都是零電壓開通關(guān)斷,不存在開關(guān)損耗
次級mosfet的導(dǎo)通損耗同樣限制了反激在大功率場合的運用,mosfet體內(nèi)二極管的反向恢復(fù)同樣產(chǎn)生損耗,值得注意的是這個損耗源于次級,發(fā)生在初級mosfet,計算公式如下
考慮到半橋的占空比D可以是0.9,所以以上三個公式基本上沒有區(qū)別。
3、磁性器件。反激的變壓器等效理想變壓器和電感器的結(jié)合,不知道該如何正激和半橋的磁性器件比較,這里只討論下為什么反激變壓器中漏感的影響大。具體分析見EXEL中《磁性器件》頁面
4、電容。同樣關(guān)心電容的電流應(yīng)力和電壓。電壓應(yīng)力沒什么區(qū)別。
輸入電容電流應(yīng)力基本沒有區(qū)別,輸出電容上反激的電流應(yīng)力很糟糕,但需要注意的是,輸出電容的電流應(yīng)力與輸出電流成正比,與輸出功率并沒有直接關(guān)系,正激和半橋的輸出電容電流應(yīng)力為0是因為電感假設(shè)為無窮大,實際值與△I有關(guān)。
5、總結(jié):通過以上分析,反激不適合大功率引用原因如下:
初級mosfet開關(guān)損耗
變壓器漏感導(dǎo)致的損耗
輸出電容電流應(yīng)力
上面的計算基于輸入電壓恒定為60V,但實際情況是25~125V。這個情況下,反激拓?fù)滹@示出它的優(yōu)勢,可能更恰當(dāng)?shù)恼f應(yīng)該是正激、半橋變得更加難以設(shè)計,其原因在于占空比變化過大,導(dǎo)致次級開關(guān)管電壓應(yīng)力大,同時初級mosfet的開關(guān)損耗可能超過反激
因為功率為400W,我考慮三個方案:全橋,雙相交錯有源嵌位正激或反激。全橋初級需要四個mosfet,且驅(qū)動要浮驅(qū),比較難找到合適的驅(qū)動芯片;雙相交錯有源嵌位正激需要兩個N管,兩個P管,同樣有驅(qū)動芯片難找的問題;同時因為以前沒有做過反激,對反激比較感興趣,在一個以前的同事建議下選擇雙相交錯反激。后來事實證明我當(dāng)時錯誤估計了漏感的影響,導(dǎo)致了使用復(fù)雜的吸收電路。
三、開關(guān)電源DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)集錦
給出六種基本DC/DC變換器拓?fù)?/p>
依次為buck,boost,buck-boost,cuk,zeta,sepic變換器
半橋變換器也是雙端變換器,以上是兩種拓?fù)洹?/p>
半橋開關(guān)管電壓應(yīng)力為輸入電壓。而且由于另外一個橋臂上的電容,具有抗偏磁能力,但是對于上面一種拓?fù)?,通常還會加隔直電容來提高抗偏磁能力。但是如果采用峰值電流控制,要注意一個問題,就是有可能會導(dǎo)致電容安秒不平衡的問題。要需要其他方法來解決。歡迎轉(zhuǎn)載,本文來自電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.wenjunhu.com/)
半橋變換器可以通過不對稱控制來實現(xiàn)ZVS,也就是兩個管子交替導(dǎo)通,一個占空比為D,另外一個就為1-D.就是所謂的不對稱半橋,通常采用下面一種拓?fù)洹τ诓粚ΨQ半橋可以采用峰值電流控制。
正激變換器
繞組復(fù)位正激變換器
LCD復(fù)位正激變換器
RCD復(fù)位正激變換器
有源鉗位正激變換器
雙管正激
吸收雙正激
有源鉗位雙正激
原邊鉗位雙正激
軟開關(guān)雙正激
推挽變換器
無損吸收推挽變換器
推挽正激
推挽變換器:推挽變換器是雙端變換器。其實是兩個正激變換器通過變壓器耦合而來,基本推挽變換器好處是驅(qū)動不需隔離,變壓器雙端磁化,只要兩個開關(guān)管。但是,變壓器繞組利用率低,開關(guān)管電壓應(yīng)力為輸入兩倍,所以一般只適合低壓輸入的場合。而且有個問題就是會出現(xiàn)偏磁,所以要采用電流型控制等方法來避免。
如果將兩個雙管正激同樣耦合,可以構(gòu)成四開關(guān)管的推挽變換器,也就是所謂的雙雙管正激。其管子電壓應(yīng)力下降為輸入電壓。其他等同。 歡迎轉(zhuǎn)載,本文來自電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.wenjunhu.com/)
推挽正激是最近出現(xiàn)的一種新拓?fù)?,通過一個電容來解決變換器漏感尖峰,偏磁等問題。在VRM中有應(yīng)用。
半橋變換器也是雙端變換器,以上是兩種拓?fù)洹?/p>
半橋開關(guān)管電壓應(yīng)力為輸入電壓。而且由于另外一個橋臂上的電容,具有抗偏磁能力,但是對于上面一種拓?fù)?,通常還會加隔直電容來提高抗偏磁能力。但是如果采用峰值電流控制,要注意一個問題,就是有可能會導(dǎo)致電容安秒不平衡的問題。要需要其他方法來解決。
半橋變換器可以通過不對稱控制來實現(xiàn)ZVS,也就是兩個管子交替導(dǎo)通,一個占空比為D,另外一個就為1-D.就是所謂的不對稱半橋,通常采用下面一種拓?fù)?。對于不對稱半橋可以采用峰值電流控制。
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半橋變換器
全橋變換器在大功率場合是最常用了,特別是移項ZVS和ZVZCS 接下去,會收集一些三電平變換器貼出來,在以后就給出boost族的 隔離變換器。..。反激變換器。..。.正反激變換器。..。..APFC.。...PPFC.。.. 單級PFC.。..。諧振變換器等。..。.
三電平變換器(three level converter)
選了看起來比較舒服的兩個拓?fù)?,這些三電平是半橋演化而來,同樣可以演化出多電平變換器,合適高壓輸入場合。而且可以通過全橋的移相控制方式實現(xiàn)軟開關(guān)。
在考慮使用LED驅(qū)動器將AC輸入電壓轉(zhuǎn)換為用于LED負(fù)載的恒定電流源的拓?fù)鋾r,將LED應(yīng)用分為三種功率水平是有幫助的:(1)低功率應(yīng)用。要求輸入低于20W,例如燈條、R燈和白熾燈的替換品;(2)中等功率應(yīng)用。輸入最高為50W,例如天花板筒燈和L燈;(3)高功率應(yīng)用。要求輸入高于50W,例如標(biāo)牌燈或街燈。設(shè)計人員在這三種功率范圍內(nèi)面對不同的挑戰(zhàn)組合,包括成本、安裝LED驅(qū)動器的空間、效率、設(shè)計復(fù)雜性、功率因數(shù)、平均失效時間(mean-time-to-failure, MTTF)以及可靠性,上述只是諸多挑戰(zhàn)中的一些。本文將推薦在這三種基本功率范圍內(nèi)使用的基本拓?fù)湟詰?yīng)對設(shè)計挑戰(zhàn)。
低功率解決方案面向小尺寸照明燈應(yīng)用,這些應(yīng)用要求安裝LED驅(qū)動器的設(shè)計體積小,通過控制流過LED的電流來達(dá)到穩(wěn)定的光輻射,并具有高效率和低成本。為了符合“能源之星(Energy Star)”對于照明器具的規(guī)劃要求,對于住宅燈具的功率因數(shù)必須≥0.7,并且對于輸入功率大于5W的商業(yè)應(yīng)用,功率因數(shù)必須≥ 0.9。
(1)如果不需要LED驅(qū)動器隔離,降壓調(diào)節(jié)器拓?fù)渚哂凶畹偷腂OM成本,因而是可以考慮的低成本解決方案。圖1為非隔離降壓拓?fù)涫纠?,包括了功率因?shù)校正和調(diào)光能力,僅有一個磁性元件(一個簡單電感)和一個單一MOSFET/二極管對,用于降壓功率轉(zhuǎn)換。如果輸入電壓高于LED負(fù)載所需的輸出電壓,此拓?fù)錇樽罴堰x擇。
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圖1 帶有PFC的非隔離降壓轉(zhuǎn)換器
在需要隔離LED驅(qū)動器時,一個好的拓?fù)溥x擇就是初級端調(diào)節(jié)(primary-side regulated,PSR)反激拓?fù)?圖2是一個PSR反激LED驅(qū)動器示例。無需次級端反饋,可以降低成本,因而此拓?fù)涞脑?shù)目較少,可以實現(xiàn)良好的恒定電流調(diào)節(jié)。控制器中可以集成MOSFET以減少BOM數(shù)目及減少印刷線路板空間。因無需使用用于次級反饋的光隔離器PSR反激的可靠性得以提高。
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圖2 初級端調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器
對于PSR反激拓?fù)洌贿B續(xù)導(dǎo)通模式(Discontinuous Conduction Mode,DCM)是首選的工作模式,因為它可以更好地調(diào)節(jié)輸出。典型波形如圖3所示。
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圖3 DCM反激轉(zhuǎn)換器波形
當(dāng)PSR LED驅(qū)動器以恒定電壓調(diào)節(jié)模式工作時,在電感器電流放電時間Tdis期間,輸出電壓和二極管正向電壓降之和被反映至輔助線圈端。因為二極管正向電壓降隨著通過二極管的輸出電流減少而減少,在二極管放電時間Tdis的末端,輔助線圈電壓反映了輸出電壓。通過在二極管放電時間末端對輔助線圈電壓進(jìn)行采樣,獲得輸出電壓的信息。
當(dāng)以恒定電流調(diào)節(jié)模式工作時,使用峰值漏極電流IPEAK和電感電流放電時間Tdis可以估算輸出電流,因為在穩(wěn)定狀態(tài)下輸出電流與二極管電流的平均值相同。采用飛兆半導(dǎo)體創(chuàng)新的TRUECURRENT?技術(shù),可以精確控制恒定電流輸出。
PSR拓?fù)涞男士梢赃_(dá)到85%。作為一個例子,考慮8.4W的應(yīng)用,LED驅(qū)動器的總功率損耗在85VAC輸入時測得為1.32W。損耗的支出,最大來自于變壓器,估計為0.55W,隨后是緩沖電路(如圖2所示,二極管與并聯(lián)的電阻和電容串聯(lián),跨接在變壓器初級線圈上),其損耗為0.31W,MOSFET的損耗為0.26W,以及輸出整流和橋式整流器一起的0.20W損耗。
(2)變壓器和緩沖電路通常是較主要的功率耗散組件,由于來自變壓器的漏電感,因而需要緩沖電路來防止電壓施壓在MOSFET上,假如未注意到這兩個設(shè)計方面,印刷線路板和輸入EMI濾波器也可以成為顯著的功率耗散來源。
總體1.32W損耗可能看起來并不是功率損耗的重要來源,但在一個低功率LED驅(qū)動器中,LED負(fù)載靠近驅(qū)動器,因而使設(shè)計發(fā)熱的是總體負(fù)載功率加上驅(qū)動器損耗。熱傳遞不會選擇強(qiáng)制冷卻氣流,因而上面引用的示例必須使用能夠從半導(dǎo)體和電氣器件中高效傳導(dǎo)8.4W功率的燈具,以便維持可靠性。假如散熱解決方案不能夠平衡這一功率并保持元件低溫,那么,使用電解電容器會減少設(shè)計的平均無故障工作時間(MTTF)。
中等功率解決方案仍然要求小體積設(shè)計和功率因數(shù)校正。在該功率范圍內(nèi)效率和可靠性仍然是重要的設(shè)計制約。可使用的良好拓?fù)涫菃渭壒β室驍?shù)校正反激拓?fù)?,如圖4所示。
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圖4.單級PFC反激轉(zhuǎn)換器
單級設(shè)計減少了元件數(shù)目并且無需輸入大體積電容器,不僅節(jié)省了設(shè)計空間,而且也降低了成本。用于功率因數(shù)校正控制的反激,使用了次級反饋。采用這些中等功率反激拓?fù)湓O(shè)計,可實現(xiàn)高達(dá)84%的效率。因為拓?fù)洳捎梅醇し绞?,在該LED驅(qū)動器設(shè)計中,變壓器和緩沖電路仍然是主要的功耗損耗來源。在中等功率范圍中,較高的功率水平增加了緩沖電路的功率損耗,因為緩沖電路損耗與變壓器漏電感和MOSFET中峰值電流平方的乘積成比例。在該中等功率設(shè)計中,變壓器的尺寸正在增加,而且MOSFET中的峰值電流也在增加。
大功率解決方案關(guān)注最佳的效率和可靠性,合理的成本以及較少的BOM數(shù)目。推薦使用兩級式LED驅(qū)動器。第一級用于功率因數(shù)校正,隨后是DC-DC轉(zhuǎn)換級來調(diào)節(jié)恒定電流輸出。第一級可以采用與中等功率范圍單級PFC反激轉(zhuǎn)換器設(shè)計相同的控制器。為了在該兩級方法中減少元件數(shù)目,在第一級上,控制器集成了一些元件和特性。
這里推薦兩種次級DC-DC轉(zhuǎn)換器選擇:準(zhǔn)諧振反激,用于低于100W的應(yīng)用,或者LLC拓?fù)?,用于高?00W的應(yīng)用。反激方案可以達(dá)到合理的效率,相對于LLC拓?fù)溥x擇,它是不太復(fù)雜的拓?fù)?。通過降低導(dǎo)通開啟時的電容電壓,QR拓?fù)錅p少了與MOSFET輸出電容相關(guān)的開關(guān)損耗。QR拓?fù)銶OSFET軟開關(guān)也減少了EMI。然而,對于LLC拓?fù)?,較好的效率歸功于MOSFET的零電壓開關(guān)(zero voltage switching),而且可以使用小型保持(holdup)電容器。在該兩級方法中可以實現(xiàn)高達(dá)92%的效率。圖5和圖6顯示了QR和LLC拓?fù)?。請注意圖6中的LLC電路使用了變壓器的漏電感和磁化電感以建立LLC諧振電路。
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圖5 兩級PFC + QR反激示例
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圖6 兩級PFC + LLC示例
大功率應(yīng)用通常使用多串LED。圖6顯示了使用次級控制器來平衡通過不同LED串負(fù)載的電流。
結(jié)論
本文針對三種不同功率范圍的離線LED驅(qū)動器應(yīng)用,推薦了不同的拓?fù)洹8鶕?jù)不斷增加的LED負(fù)載功率水平,提出了降壓轉(zhuǎn)換器、PFC單級反激,以及兩級PFC反激,并隨后提出了QR反激或LLC方案。每種推薦的拓?fù)浞桨付蓟诎惭bLED驅(qū)動器的可用設(shè)計空間、效率要求、可靠性、成本和設(shè)計復(fù)雜性等考慮,能夠最好地滿足上述限制條件。
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