延長導(dǎo)通時間可減小輸入電容容量

簡介

基于微處理器的器件需要使用穩(wěn)壓電源(UPS)以檢測輸入功率損耗和繼續(xù)在完成內(nèi)存?zhèn)浞?即將關(guān)鍵數(shù)據(jù)寫入非易失性存儲器)的時間內(nèi)進(jìn)行供電。

設(shè)計連續(xù)輸出功率的一種方法是：生成較高的輸出電壓和使用線性穩(wěn)壓器生成所需的較低電壓。線性穩(wěn)壓器輸入端電容用于提供維持時間。但遺憾的是，這種方法會降低電源的整體效率，原因是它需要使用次級線性穩(wěn)壓器，進(jìn)而需要更大的變壓器和元件，使得電源電路初級側(cè)的額定功率更高。

另一種解決方案是使用已知的導(dǎo)通時間延長技術(shù)，這種方法在Power Integrations(PI)的一系列離線式開關(guān)IC中得到采用。在PI芯片中，導(dǎo)通時間延長功能與開/關(guān)控制功能相結(jié)合，用來提供穩(wěn)壓。這兩種技術(shù)都可以替代傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制(PWM)控制，而無需添加額外的電路，如圖1所示。

內(nèi)存?zhèn)浞莨β室?/p>

需要在關(guān)斷之前存儲關(guān)鍵數(shù)據(jù)的產(chǎn)品應(yīng)用通常會使用EEPROM內(nèi)存，并需要獲得穩(wěn)壓電源電壓，以便在完成內(nèi)存寫周期的時間持續(xù)供電。對于某些EEPROM內(nèi)存而言，寫周期時間可能長達(dá)10 ms。為了提供足夠的寫周期時間，標(biāo)準(zhǔn)的做法是：通過關(guān)閉所有外設(shè)和不必要的額外負(fù)載來降低斷電序列條件下的功耗。圖2顯示了直流總線電壓和斷電序列的關(guān)系，從而可以有效利用儲存在輸入直流總線端濾波電容中的能量。

功率轉(zhuǎn)換器階段需要使用儲存于輸入濾波電容中的能量，以便將輸出電壓維持在穩(wěn)壓限制范圍之內(nèi)。在圖2中，這代表著直流總線電壓從Vmin2降到Vmin3及進(jìn)行數(shù)據(jù)備份所需要維持的一段時間(檢測到輸入失敗情況后)。

對于大多數(shù)低功率應(yīng)用而言，反激式轉(zhuǎn)換器因為具有成本低、元件數(shù)量少和在通用輸入應(yīng)用中易于設(shè)計等優(yōu)勢，而成為一種可選的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。我們將用兩個反激式轉(zhuǎn)換器進(jìn)行比較，來說明導(dǎo)通時間延長技術(shù)的效率及其對電容選擇的影響：一個反激式轉(zhuǎn)換器在非連續(xù)導(dǎo)通模式工作一固定頻率技術(shù)(DCMFF)，而另一個則利用導(dǎo)通時間延長來實施非連續(xù)導(dǎo)通模式-占空比擴展技術(shù)(DCMDE)。

輸入電壓下降時的功率輸出

案例1：DCMFF-最大占空比為50%。在本例中，我們將針對工作頻率為100kHz并使用了一個500μH初級電感的21.25W(5V@4.25A)電源設(shè)計，對最大占空比為50%的DCMFF轉(zhuǎn)換階段的功率輸出能力進(jìn)行測評(參見圖3)。假設(shè)能效為84%。

此設(shè)計的Vmim為100V。當(dāng)直流總線電壓為100V時，如果所連負(fù)載等于滿載(即21.25W)，則占空比將達(dá)到最大值。

對于最大占空比為50%的DCMFF設(shè)計，最大輸出功率與直流總線電壓之間的關(guān)系如公式(1)所示。

圖4顯示，電路的最大功率能力將隨著電壓的下降而下降，對于為50%滿載的負(fù)載，電路可以維持輸出端穩(wěn)壓，使直流總線電壓僅下降到69V。

案例2：DCMDE-導(dǎo)通時間延長而不改變關(guān)斷時間可以自動擴展占空比。要使導(dǎo)通時間延長方法與固定頻率DCMFF方法進(jìn)行可行性對比，需要將Vmin=100V下的占空比假設(shè)為50%。其結(jié)果是，電路在100V直流輸入電壓下輸出滿載功率時的初級電感值相同，以及高于100VDC的直流總線電壓具有相同的工作條件。

電路工作情況：電路的工作情況與DCMFF配置相同，直到直流輸入電壓降到與Vmim相等的值。隨著輸入電壓降到Vmin以下，t0-t1的時間間隔將被延長，直到初級電流達(dá)到預(yù)定的峰值初級電流值，后者等于輸入電壓為Vmin(占空比為50%)時的預(yù)計值。t1到t2的時間間隔保持不變，且等于正常工作條件下開關(guān)頻率的時間間隔的一半。

圖5顯示了輸入電壓下降時初級繞組電流波形的變化。由于電感電流斜率隨著輸入電壓的降低而降低，因此初級電流達(dá)到所需的峰值電流值將需要更長的時間。雖然通過延長導(dǎo)通時間間隔可以自動降低工作頻率，但每個工作周期儲存在電感中的能量仍將保持不變。工作頻率下降可以導(dǎo)致電路的最大功率能力隨之下降。此時，電路的最大功率能力曲線表現(xiàn)為不同的形狀(參見圖4)。

最小輸入電壓與最大輸出功率之間的關(guān)系如公式(2)和公式(3)所示。

對比以上兩條曲線可以明顯確定，與DCMFF(固定頻率占空比限制)設(shè)計相比，導(dǎo)通時間延長方案可以使功率轉(zhuǎn)換器在較低的輸入電壓下輸出更高的功率(參見圖4)。