图解ACDC电源设计

1、图解 AC-DC 电源设计摘要： 磁性元件设计、功率半导体选择、PCB 版图、散热器选择以及控制器特性， 所有这些都必须完全协同工作， 才能成功实现一个在大负载范围上可获得高效率的小型AC- DC 电源设计。对于一个特定应用， 根据系统的具体要求， 可能有一个以上的理想解决方案。关键字： AC/ DC 电源 , 电源模块 , 整流滤波电路 , 电源转换即使是对经验最丰富的电源设计人员来说， 要在一个小体积内实现电源效率最大化也不是一件容易的事。需要小型电源设计的设备有很多， 在给定时间内， 这类设备可能需要为负载提供数百瓦的功率。对于高度限制小于1 U 的系统， 强制空气冷却也许不可行， 这意

2、味着必须采用成本高昂的大表面积薄型散热器来实现散热管理。AC/DC 电源 就是输入为交流， 输出为直流的 电源模块 。其中在这模块内部包含有 整流滤波电路 ， 降压电路和稳压电路。在 AC/ DC 电源转换 应用中， 要求有较宽的输入范围， 通常要求： 85 V 265 V 的交流输入， 输出电源转换效率要求高， 同时能有效提高节能性能， 满负载效率在 AC/ DC 电源设计中是一项主要考虑因素。提高 AC/ DC 转换器效率， 实现更好的节能性能的方法， 是绿色能源的倡导。在大多数情况下， 工作在这些功率水平的AC- DC 电源需要某些类型的有源功率因数校正 ( PFC)。将功率半导体直接焊

3、接到PCB 板上然后再粘贴到底盘上， 而不是使之绝缘并把它们用螺栓固定到底盘上。考虑到热粘贴材料的成本， 整个组装成本将会下降。这也减少了电源的尺寸并减少了设备连接处温度约10 摄氏度， 从而可将平均无故障时间间隔大约增加一倍。对于AC- DC 电源， 一般把一个非隔离离线升压预转换器用作PFC 级， 其 DC 输出电压作为下游隔离DC- DC 转换器的输入。由于这两个转换器是彼此串联的， 故总体系统效率 SYS 为每个转换器的效率的乘积：( 1 )由式 ( 1 ) 显然可见， 一种具有众多高效特性的系统解决方案是结合交错式双临界传导模式 ( BCM) PFC 与隔离式 DC- DC 转换器，

4、 其中， 前者后面跟着不对称半桥( AHB)， 后者采用了带自驱动同步整流器的倍流整流器次级端。图 1 . 12 V、 300 W、小型通用 AC- DC 电源。对于 300 W- 1 k W 范围的 PFC 转换器， 应该考虑选择交错式临界传导模式( BCM) PFC， 因为在相似的功率水平下， 它的效率要高于连续传导模式( CCM) PFC 控制技术。交错式BCMPFC 基于一种可变频率控制算法， 在这种算法中， 两个 PFC 升压功率级彼此同步180 度错相。由于具备有效的电感纹波电流消除， EMI 滤波器和 PFC 输出电容中常见的高峰值电流得以减小。输出PFC 大电容受益于纹波电流消

5、除是因为流经等效串联电阻( ESR) 的 ACRMS 电流减小。另外， 由于升压 MOSFET 在依赖于 AC 线的零电压开关 ( ZVS) 下关断， 在零电流开关( ZCS) 下导通， 故可以进一步提高效率。对于350 W 的交错式 BCMPFC 设计，MOSFET 散热器可去掉， 如图1 所示。另一方面， CCMPFC 设计中使用的升压MOSFET 则易受与频率相关的开关损耗的影响， 而开关损耗与输入电流及线电压成比例。通过在零电流时关断交错式BCM 升压二极管， 可避免反向恢复损耗， 从而允许使用成本低廉的快速恢复整流二极管， 而且在某些情况下可以无需散热器。PFC 转换器工作时的固有特

6、点是： 输出电压调节采用电压型PWM 控制时 9 稳态占空比 Du 为常数 ( 即导通时间 Ton 为常数 )， 输人电流接近于正弦波。因此， 控制电路中无须乘法器和电流控制， 就可以实现功率因数校正。对于隔离式 DC- DC 转换器设计， 半桥是一个很好的拓扑选择， 因为它有两个互补驱动的初级端MOSFET， 且最大漏源电压受限于所加的DC 输入电压。 LLC 通过可变频率控制技术， 利用与功率水平设计相关的寄生元素来实现ZVS。不过， 由于经调节的DC 输出只使用电容滤波， 这种拓扑最适合的是输出纹波较低、输出电压较高的应用。AHB 主要用于高性能模块( 如 CPU、 DMA 和 DSP

7、等) 之间的连接， 作为So C 的片上系统总线， 它包括以下一些特性： 单个时钟边沿操作; 非三态的实现方式; 支持突发传输 ; 支持分段传输 ; 支持多个主控制器 ; 可配置 32 位 128 位总线宽度 ; 支持字节、半字节和字的传输。AHB 系统由主模块、从模块和基础结构AHBInfrastructure) 3 部分组成， 整个 AHB 总线上的传输都由主模块发出， 由从模块负责回应。基础结构则由仲裁器、主模块到从模块的多路器、从模块到主模块的多路器、译码器 ( decoder)、虚拟从模块 ( dummy Slave)、虚拟主模块( dummy Master) 所组成。对于 300

8、W， 12 VDC- DC 转换器， AHB 是一种高效的选择。由于初级电流滞后于变压器的初级电压， 故可为两个初级MOSFET 的 ZVS 提供必要条件。类似于LLC， 利用 AHB 实现 ZVS 的能力也取决于对电路寄生元素的透彻了解， 比如变压器漏电感、匝间电容和分立式器件的结电容。相比LLC 控制中采用的可变频率控制方法， 固定频率方案可以大大简化次级端自驱动同步整流( SR) 的任务。自驱动 SR 的栅极驱动电压很容易由变压器次级端推算出来。增加一个低端MOSFET 驱动器， 比如图 2 所示的双路 4 AFAN 3224 驱动器， 就可以精确给出通过MOSFST 米勒平坦区的电平转

9、换和高峰值驱动电流。图 2 . FAN 3224 ， 利用倍流整流器实现自驱动同步整流( SR)。这种倍流整流器可用于任何双端电源拓扑和大 DC 电流应用， 它具有好几个突出的特性。首先， 其次级端由一个简单绕组构成， 可简化变压器结构。其次， 由于所需的输出电感被分配在两个电感器上， 因大电流流入次级端而产生的功耗得到更有效的分布。第三， 作为占空比 ( D) 的函数， 两个电感纹波电流彼此抵消。抵消掉的两个电感电流之和拥有两倍于开关频率的视在频率( apparentfrequency)， 故允许更高的频率， 此外流入输出电感的峰值电流更低。加在次级端整流器上的电压不对称可能是AHB 的缺点

10、之一。当AHB 在其限值 D= 0 . 5 附近工作时， 加载的SR 电压几乎可达到匹配。然而， 更合理的方案是， 通过对变压器的匝数比进行设计， 使D 在额定工作期间保持在0 . 25 。调节器之后是一个带自驱动SR 的不对称半桥DC- DC 转换器， 如图 1 所示。表 1 . 小型 AC- DC 电源设计规格表 1 中的规格是对全部设计要求的简单小结。主要设计目标如下： 1 . 在尽可能宽的范围上获得最大效率。2 . 实现尽可能小的设计尺寸。3 . 散热器的使用和尺寸最小化。在尽可能宽的负载范围上获得最大效率需要对每一个功率水平的材料和元件选择进行仔细考虑， 尤其是在磁性设计方面。由于交

11、错式 BCMPFC 的频率可能高至数百 k Hz， 且变化多达 10 : 1 ， 升压电感必需定制设计。采用适当等级的等效多股绞合线可以尽量减小 AC 损耗， 而 AC 损耗正是 BCMPFC 升压电感中铜损耗的主要部分。应该采用适合于高频工作的开气隙的铁氧体材料， 得的PFC 效率如图 3 所示。图 3 . 交错式 BCMPFC 测得的效率 ( 100 %= 330 W)。对于 300 W 小型 AHB 变压器， 一种解决方案是采用两个水平磁芯结构： 初级端绕组串联， 次级端绕组并联。在一个不到20 mm 的小型元件上设计横截面积150 mm 2 的传统形状的磁芯是不可能的事情。最后一个重要

12、设计步骤是把AHB 变压器中的漏电感量控制在允许范围之内。对于ZVS， 需要某些特定的漏电感值， 对于自驱动SR， 需要调节时序延迟。在本设计中因变压器产生的有效泄漏被优化为 7 H， 也就是总体有效磁性电感的1 . 5 %。 300 WAHBDC- DC 转换器测得的效率结果如图 4 所示。图 4 . AHB 390 Vto 12 V/ 25 A， DC- DC 测得的效率 ( 100 %= 300 W)。满负载效率主要由转换器功率水平的传导损耗来决定， 因此， 在这些条件下， 几乎没有一种控制器有所助益。不过， 要保持较高的轻载效率， 倒有好几种控制器技术可供考虑。 FAN 9612 是一

13、款交错式双 BCMPFC 控制器， 其利用一个内部固定最大频率钳位来限制轻载下和 AC 输入电压的过零点附近的与频率相关的Coss MOSFET 开关损耗。在AC 线电压部分 VIN VOUT/ 2 期间， 采用谷底开关技术来感测最佳 MOSFET 导通时间， 进一步降低Coss 电容性开关损耗。另一方面， 当 VIN图 5 . PFC 相位管理 ( 1 2 , 19 %= 64 W; 2 1 , 12 %= 42 W)。AHB 隔离式 DC- DC 转换器的实现方案可采用AHB 控制器 FSFA 2100 来实现。这种先进的集成度让设计人员利用较少的外部元件即可获得高达420 W 的极高效率。把这三大关键功能整合在单个封装中， 可避免对ZVS 所需的死区时间的编程任务， 并把内部驱动器与MOSFET 之间的栅极驱动寄生电感减至最小。SIP 功率封装中的功耗大部分源于内部MOSFET 的开关， 因此需要一个小型挤压式散热器， 尤其是对无强制空气冷却的300 W 设计。总的 AC- DC 系统包括输入EMI 滤波器、桥式整流器、交错式BCMPFC 和AHBDC- DC， 它获得的总体效率如图6 所示。在 Vin= 120 VAC 时， 该设计峰值效率为 91 %; Vin= 230 VAC 时为 92 %;