突破新興高效能電源要求上的限制(圖)

美國(guó)環(huán)保署(EPA)的能源之星(Energy Star)計(jì)劃在2007年7月20日正式開(kāi)始實(shí)施，這是針對(duì)個(gè)人電腦在不同負(fù)載下最低效能要求的規(guī)范。同時(shí)，它也為其他設(shè)備，包括企業(yè)服務(wù)器、外部電源(使用在如游戲機(jī)或筆記本電腦等)以及一系列家用設(shè)備規(guī)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(guó)家和地區(qū)的同類(lèi)機(jī)構(gòu)合作，因此它已在這些國(guó)家得到了采用。

電源在降低功耗上舉足輕重，因此面對(duì)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和消費(fèi)者的更高要求時(shí)，重新檢討其設(shè)計(jì)方式就顯得非常急迫。雖然可以改進(jìn)傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到更高效能要求，但可以明顯地看出，沿用舊式設(shè)計(jì)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(biāo)成本的設(shè)計(jì)方式，并將之和傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。

傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為特定應(yīng)用選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)有幾個(gè)考慮因素，包括輸入電壓范圍是全球通用還是只針對(duì)特定地區(qū)，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(biāo)，特別是在不同負(fù)載下的效能表現(xiàn)。傳統(tǒng)上，在大批量生產(chǎn)電源時(shí)多以成本，設(shè)計(jì)工程師對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的熟悉度以及元件是否容易采購(gòu)為考慮因素，其他因素還包括設(shè)計(jì)是否容易實(shí)現(xiàn)和設(shè)計(jì)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(tǒng)設(shè)計(jì)方式主要為單開(kāi)關(guān)正向、雙開(kāi)關(guān)正向和半橋結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)提供了滿(mǎn)足目前需求的穩(wěn)固解決方案。不過(guò)如上所述，新興的標(biāo)準(zhǔn)需要電源能夠達(dá)成比先前更高的效能。過(guò)去，典型的臺(tái)式電腦電源可以達(dá)到60%～70%的最高效能，但現(xiàn)在則要求電源在額定負(fù)載的20%、50%和100%時(shí)都能達(dá)到最低80%的效能。同時(shí)，最近更出現(xiàn)了希望能夠在低于20%負(fù)載時(shí)達(dá)到70%或以上效能的趨勢(shì)，且待機(jī)功耗能夠持續(xù)下降。我們將探討三種傳統(tǒng)拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn)，并介紹兩種新型的拓?fù)洹?/P>

1 單開(kāi)關(guān)正向

圖1中的這個(gè)拓?fù)湎喈?dāng)受到歡迎，主要原因是元件數(shù)少且設(shè)計(jì)要求簡(jiǎn)單，但對(duì)于不同負(fù)載情況的高效能要求卻為這個(gè)拓?fù)鋷?lái)新挑戰(zhàn)。在接近滿(mǎn)載或滿(mǎn)載時(shí)，這個(gè)拓?fù)涞男苁艿?0%占空比的限制。而在較輕負(fù)載時(shí)，開(kāi)關(guān)耗損是造成效能不佳的主要原因。許多較新的設(shè)計(jì)采用功率因數(shù)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)，提高了FET的成本。

圖1 單開(kāi)關(guān)正向拓補(bǔ)

2 雙開(kāi)關(guān)正向

圖2是另一個(gè)使用相當(dāng)普遍的拓?fù)?，它是解決開(kāi)關(guān)電壓限制問(wèn)題的升級(jí)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)的問(wèn)題是需要使用門(mén)極驅(qū)動(dòng)變壓器或芯片驅(qū)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(bǔ)

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(jié)構(gòu)和輸出整流比單一正向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，也存在高開(kāi)關(guān)耗損問(wèn)題。

圖3 半橋拓補(bǔ)電路結(jié)構(gòu)

新興拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了符合更高效能的要求，業(yè)界已開(kāi)發(fā)了數(shù)種新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些新電路拓?fù)洳灰欢ㄊ侵感掳l(fā)明，而是新近在商業(yè)大批量應(yīng)用的。其中，兩種最受重視的拓?fù)浞謩e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?fù)涫且粋€(gè)存在已久的軟開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，雖然這種結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的正向式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類(lèi)似，但過(guò)去一直被視為是難以實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，因此主要應(yīng)用在特殊領(lǐng)域，比如電信領(lǐng)域。不過(guò)，隨著新IC的推出，這種結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)變得非常簡(jiǎn)單。

圖4 采用安森美半導(dǎo)體NCP1562的有源鉗位正激拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)

在這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，變壓器在主開(kāi)關(guān)的整個(gè)關(guān)閉時(shí)間內(nèi)通過(guò)附屬開(kāi)關(guān)串行的電容進(jìn)行復(fù)位，這樣做可以消除單開(kāi)關(guān)正向結(jié)構(gòu)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(yīng)力。同時(shí)，這個(gè)結(jié)構(gòu)也提供了自驅(qū)動(dòng)同步整流功能，省去了專(zhuān)用門(mén)極驅(qū)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(xiàn)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的控制雖然看起來(lái)會(huì)增加電路的復(fù)雜度，但卻可以通過(guò)節(jié)省緩沖電路、復(fù)位電路和較低整體開(kāi)關(guān)要求加以補(bǔ)償。這個(gè)結(jié)構(gòu)也能夠在寬廣的輸入電壓范圍下工作，因而適合多種應(yīng)用，包括電視游戲機(jī)。

這個(gè)結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是沒(méi)有大批量應(yīng)用，比如在計(jì)算機(jī)中，因此一般臺(tái)式機(jī)的設(shè)計(jì)工程師對(duì)它感到陌生。不過(guò)隨著像安森美半導(dǎo)體等公司不斷推出產(chǎn)品，這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)難度已經(jīng)降低了。在較大批量應(yīng)用中采用這個(gè)結(jié)構(gòu)也能夠降低采用元件的成本。這個(gè)拓?fù)涞牧硪蝗秉c(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)。

2 LLC諧振半橋

圖5中的LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(yīng)用。

圖5 LLC諧振半橋拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)

和有源鉗位拓?fù)湟粯?，這也是一款因超低開(kāi)關(guān)耗損達(dá)到超高效能的軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其他優(yōu)點(diǎn)還包括不需輸出電感，因此可以降低實(shí)現(xiàn)的整體成本。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(jié)構(gòu)也有一些缺點(diǎn)，最主要的是增加了復(fù)雜的磁性設(shè)計(jì)，輸出電容上的高紋波電流和可變頻率。同時(shí)，這個(gè)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)較寬輸入電壓范圍上也比較困難。

各式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的比較

雖然我們無(wú)法采用單一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為所有應(yīng)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(jié)構(gòu)。在這里，我們使用12V、20A輸出的變壓器設(shè)計(jì)來(lái)比較以上所述各式結(jié)構(gòu)的差異，比較重點(diǎn)放在主要的設(shè)計(jì)問(wèn)題，如原邊開(kāi)關(guān)、整流器、磁性、存儲(chǔ)電容等。雖然還有其他差異點(diǎn)，但不在本文的討論范圍內(nèi)。各式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的差異結(jié)構(gòu)總結(jié)如下。

● 原邊開(kāi)關(guān)：在300～400Vdc的輸入電壓范圍，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?fù)鋭t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(dǎo)電耗損。

● 諧振半橋變壓器的直流次級(jí)整流器電壓應(yīng)力最低，接著是有源鉗位，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(tǒng)電路結(jié)構(gòu)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入范圍來(lái)達(dá)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(shè)計(jì)上則會(huì)有相當(dāng)高的挑戰(zhàn)性。和傳統(tǒng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(shè)定在60～70kHz；高電源電壓輕載工作時(shí)，最高頻率可以達(dá)到數(shù)百kHz。