離線式 AC/DC 電源廠商日益感受到成本增加的壓力,必須停止生產體積大、效率低的線性電源轉換器,并以結構更小、更輕及效率更高的開關電源(SMPS)產品來取代。
反激式(Flyback)及自激式轉換器(Ringing choke converter, RCC)是兩種最常用的SMPS產品,適合用于全區域輸入充電器和適配器。它們能滿足市場對于節能的需求,但是從商業角度來說,對于特定市場的低價且量產的產品來說,并不是線性電源理想的替代方案。反激式及自激式轉換器被公認為是成本昂貴,且設計線路更為復雜的解決方案。特別是在音響、無繩電話和網絡設備等需要額外濾波電路的應用上,更需要高水平的設計能力。因此,許多消費電子制造商并不愿意引入SMPS拓樸。
不過,新型單開關組件的諧振非連續正激式轉換器(Resonant Discontinuous Forward Converter, RDFC)拓樸的出現,會讓制造商愿意重新審視他們的決定。這個新方案為耗電量低于60W的設備與低成本SMPS結構之間搭起了一座橋梁,它能夠提供高效率、低待機功耗且小尺寸的SMPS拓樸結構,而其電路設計更為簡單,且系統成本與同等級的線性電源轉換器差不多或更低。
這項技術提供了更具有成本效益的方法,并可通過以下特點來增加SMPS拓樸的效能：
·諧振轉換時產生很低的EMI：這個方法最適合用在音響及其它對EMI要求嚴格的應用,反激式設計需要復雜的次級濾波電路,以符合低EMI的要求。
·零電壓切換：提供更高的電源轉換效率,遠優于現有能源之星(Energy Star)或其它監管機構的要求標準
· 使用成本低廉的三極管電源開關：一般而言,三極管電源開關的成本只有反激式SMPS拓樸中所使用的快速MOSFET開關價格的25%~30%。然而這種結構也有其設計難點,如需要開發新的精密混合信號控制器,確保電源供應,不管負載如何變化,都可以一直以最佳效率運行,且平均電源轉換效率超過80%,無負載功耗低于100 mW。
RDFC-低成本開關電源
如同反激式技術一樣,正激式轉換器在超過100W的AC/DC離線式電源方面仍然是非常受歡迎的結構;由于在適配器鐵氧體芯內不存儲能量,與反激式技術相比,在鐵芯的尺寸上縮小了許多。然而此方法沒有用在較低的電源應用上,這是因為在傳統結構的應用中,需要配有輸出扼流圈和續流二極管(Free Wheel Diode, FWD)才能運作。
諧振非連續正激式不僅具有適配器鐵芯較小的優點,同時也不需要輸出扼流圈和續流二極管,對于6W~60W的市場,此方案更具有商業吸引力。RDFC的簡化電路如圖1所示。 次級側電路中只有一個正向二極管和輸出電容器,加上初級側電感和諧振電容所形成的諧振電路與開關。
圖1 RDFC拓撲的簡化電路圖
正激式轉換器只是通過適配器匝數比(Turns Ratio)函數的結果穩壓,也就是說輸出電壓可以由輸入電壓及適配器匝數比計算出來。換言之,它沒有反饋電路且不需要光學耦合器,這樣就節省了系統和制造成本,并容易通過安全認證。RDFC結構也不會導致輸出電壓上升至不安全的范圍,而如果反激式在反饋回路出現故障時,就會發生此情況。
反激式拓樸中硬切換的特性,在電壓和電流切換波形內往往因存在高頻成分而產生大量的電磁噪聲。為了符合EMI規定,適配器必須小心地構建,并加上昂貴的Y電容及共模扼流圈以減少噪聲耦合,這些都是實際操作中的額外電氣成本。
RDFC實現中的半正弦(諧振波形)沒有這類高頻成分。這減少了電源的噪聲,且具有高達20W的輸出電源供應能力,而不需要Y電容來進行濾波。
半正弦的電壓峰值變化,是因為電源輸入大型充電電容上的電壓波動所致。電壓中的微小變化耦合到大電容電感上,引起了像自然抖動的開關頻率移位,進一步改善了RDFC的EMI性能。
降低整體系統成本的最主要原因是采用了低成本的三極管。此方法使用零電壓開關,在電流流動之前,電壓先降至極低的狀態,如圖2所示。整體的結果是,由于系統性能并不依賴快速開關,因此可以使用較慢的標準三極管,而不需常用于反激式設計中的快速開關MOSFET組件。和MOSFET相比,三極管有較高的截面電流密度,可降低傳導損耗,因而可以較低的成本提供較高的系統效率。
圖2 在反擊式轉換器中,開關的重迭是造成低效率的原因,而RDFC采用零電壓軟件開關來降低這些損耗
圖3所示為一個7 W 的RDFC的電源轉換效率對應于負載的曲線,通過與能源之星的規定及典型線性轉換器比較,效率超過80%,而系統成本則和線性設計差不多或更低。
圖3 劍橋半導體的RDFC拓撲在7W應用中的電源轉換效率
峰值功率能力
正激式轉換器會在正向周期內(即開關開啟且導通時),透過適配器將能量從初級側(Primary)傳遞到次級側(Secondary)。與反激式方案不同,適配器里沒有存儲能量,這帶來兩項好處：
·峰值功率能力：非常適用于需要短脈沖功率的應用。
·變壓器鐵芯尺寸：在反激式電源中,電源從鐵芯獲得有限的能量,這不利于選擇較小尺寸的鐵芯。但RDFC則不同,就相同的輸出功率而言,RDFC所使用的變壓器和現有線性變壓器比較,在體積上大為縮小。
先進的模擬和數字控制功率
RDFC電路比反激式設計的整體組件數量更少,而且在設計時間及人力的需求上也降低許多。在RDFC結構中使用的C2470系列混合信號控制器,更進一步簡化了電路,也將安全性及保護功能整合至芯片,并同時有模擬和數字控制回路,以確保電源供應操作處于最佳狀態
控制器擁有智能型設計,可以通過檢測諧振時間來進行最低電壓切換、決定占空比、設定限制電流以及進入待機模式。這5種數字控制模式如圖4所示：待機模式、正常模式、過載模式、折返模式 (Foldback Mode) 以及電源突發模式(Power Burst Mode)。
圖4 C2470系列混合信號控制器的5中控制模式能在不同運行狀態中保持最佳的性
三極管的基極驅動和開關飽和為專利技術,確保控制晶體管的電流受到控制,以降低初級開關晶體管中的開關損耗,優化整體的系統效率,如圖5所示。
圖5 芯片集成了模擬反饋回路,以便智能的驅動低成本三極管
結語
諧振電源轉換器效率非常高,但一直都未能以商業化形式應用在大量的消費性電子市場中。新的混合信號控制器已經可以大量供應,讓制造商能以新穎的電源轉換結構來設計低成本的開關電源,并取代6W~60W功率范圍的線性電源轉換器。它們擁有80%以上的電源轉換效率,并且在無負載時,電源最低功耗不超過 100mW;在數據表現上比標準且昂貴的反激式更為優越。