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    AC-DC電源設計介紹

    來源: 時間:2022-03-04 14:07:43 瀏覽次數:

    即使對于有經驗的電源設計師來說,在一個小體積內化電源效率也不容易。有許多設備需要小型電源設計。在給定的時間內,這些設備可能需要為負載提供數百瓦的功率。對于高度限制小于1U的系統,強制空氣冷卻可能不可行,這意味著必須使用昂貴的大表面積薄散熱器來實現散熱管理。

    AC/DC電源是一個輸入為交流,輸出為直流的電源模塊。該模塊包括整流濾波電路、降壓電路和穩壓電路。在AC/DC電源轉換應用中,需要廣泛的輸入范圍。一般要求:85V~265V交流輸入,輸出電源轉換效率高,節能性能可有效提高。全負荷效率是AC/DC電源設計的主要考慮因素。綠色能源倡導提高AC/DC轉換器效率,實現更好的節能性能。

    在大多數情況下,在這些功率水平上工作的AC-DC電源需要對某些類型的有源功率因數進行校正(PFC)。將功率半導體直接焊接到PCB板上,然后粘貼到底盤上,而不是將其絕緣并用螺栓固定在底盤上??紤]到熱粘貼材料的成本,整個裝配成本將降低。這也降低了電源的尺寸,降低了設備連接處的溫度約10攝氏度,從而使平均無故障時間間隔翻倍。對于AC-DC電源,一般使用非隔離線升壓預轉換器作為PFC級,其DC輸出電壓作為下游隔離DC-DC轉換器的輸入。由于這兩個轉換器是串聯的,整體系統效率累積SYS為每個轉換器的效率乘積:

    (1)

    從公式(1)可以清楚地看出,具有許多特性的系統解決方案是結合交錯雙臨界傳導模式(BCM)PFC和隔離DC-DC轉換器,其中前者跟隨不對稱半橋(AHB),后者采用自驅動同步整流器。

    圖1.12V,300W,小型通用AC-DC電源。

    對于300W-1kW范圍內的PFC轉換器,應考慮交錯臨界傳導模式(BCM)PFC,因為在相似的功率水平下,其效率高于連續傳導模式(CCM)PFC控制技術。交錯BCMPFC基于可變頻率控制算法,兩個PFC升壓功率水平相互同步180度錯相。EMI濾波器和PFC輸出電容中常見的高峰值電流由于有效的電感紋波電流消除而減少。由于流經等效串聯電阻(ESR)的ACRMS電流減少,輸出PFC大電容受益于紋波電流消除。此外,由于升壓MOSFET在依賴AC線的零電壓開關(ZVS)下關閉,并在零電流開關(ZCS)下導通,因此可以進一步提率。對于350W的交錯BCMPFC設計,MOSFT散熱器可以刪除,如圖1所示。另一方面,CCMPFC設計中使用的升壓MOSFET容易受到與頻率相關的開關損耗的影響,開關損耗與輸入電流和線電壓成比例。在零電流時關閉交錯BCM升壓二管可以避免反向恢復損耗,從而允許低成本的快速恢復整流二管,在某些情況下不需要散熱器。PFC轉換器工作的固有特點是:輸出電壓調節采用電壓PWM控制時,9穩態占空比Du為常數(即導通時間Ton為常數),輸人電流接近正弦波。因此,功率因數校正可以在控制電路中實現,而無需乘法器和電流控制。

    半橋是隔離DC-DC轉換器設計的良好拓撲選擇,因為它有兩個互補的初級MOSFET,泄漏電壓于增加的DC輸入電壓。LLC采用可變頻率控制技術,利用與功率水平設計相關的寄生元素實現ZVS。然而,由于調整后的DC輸出只使用電容過濾器,這種拓撲適合低輸出線波和高輸出電壓的應用。

    AHB主要用于高性能模塊(如CPU、DMA、DSP等)之間的連接。),作為SOC的片上系統總線,包括以下特點:單時鐘邊緣操作;非三態實現模式;支持突發傳輸;支持分段傳輸;支持多個主控制器;可配置32位~128位總線寬度;支持字節、半字節和單詞的傳輸。AHB系統由主模塊、模塊和基礎設施AHBInfrastructure組成。整個AHB總線上的傳輸由主模塊發出,由模塊響應?;A設施由仲裁器、主模塊從模塊到多路器、從模塊到主模塊的多路器、譯碼器(decoder)、虛擬從模塊(dummyslave)、虛擬主模塊(dummyster)組成。

    AHB是300W和12VDC-DC轉換器的有效選擇。由于初級電流滯后于變壓器的初級電壓,因此可以為兩個初級MOSFET的ZVS提供必要的條件。與LLC類似,AHB實現ZVS的能力也取決于對變壓器泄漏感、匝間電容和分立式設備的結電容等電路寄生元素的了解。與LLC控制中采用的可變頻率控制方法相比,固定頻率方案可以大大簡化二次自驅動同步整流(SR)的任務。變壓器二次端很容易計算自驅動SR的柵驅動電壓。添加一個低端MOSFET驅動器,如圖2所示的雙路4AFAN324驅動器,通過MOSFST米勒平坦區域的電平轉換和峰值驅動電流可以準確提供。

    圖2.FAN3224,采用倍流整流器實現自驅動同步整流(SR)。

    這種雙流整流器可用于雙端電源拓撲和大型DC電流應用,具有幾個突出的特點。首先,二次端由一個簡單的繞組組成,可以簡化變壓器結構。其次,由于所需的輸出電感分布在兩個電感器上,大電流流入二次端產生的功耗分布更有效。第三,兩個電感紋波電流作為空比(D)的函數相互抵消。被抵消的兩個電感電流之和是開關頻率的兩倍,因此允許更高的頻率,而流入輸出電感的峰值電流較低。

    添加到二次端整流器上的電壓不對稱可能是AHB的缺點之一。當AHB在其限值D=0.5附近工作時,加載的SR電壓幾乎匹配。然而,更合理的方案是在額定工作期間將D保持在0.25。

    調節器后面是一個帶有自驅動SR的不對稱半橋DC-DC轉換器,如圖1所示。

    表1.小型AC-DC電源設計規格。

    表1中的規格是對所有設計要求的簡要總結。主要設計目標如下:

    1.在盡可能寬的范圍內獲得的效率。

    2.盡可能小的設計尺寸。

    3.散熱器的使用和尺寸化。

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