電路配置通盤考量應(yīng)用

有很多電子產(chǎn)品需要扁平(Low-profile)而小型的交流對(duì)直流(AC-DC)電源設(shè)計(jì)，例如平面顯示器、機(jī)架式電腦設(shè)備、電信及航空的底盤安裝式設(shè)備等。然而，即使對(duì)一個(gè)相當(dāng)有經(jīng)驗(yàn)的電源設(shè)計(jì)人員來說，要在一個(gè)扁平且體積小的器件內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大化的AC-DC電源效率，也不是一件容易的事;更何況在給定時(shí)間內(nèi)，這類設(shè)備須為負(fù)載提供數(shù)百瓦的功率，因而帶來更大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

　　舉例來說，1U機(jī)架式應(yīng)用中采用的典型12伏特(V)、300瓦(W)電源有尺寸上的限制，最大高度不得超過1.75寸(44.45毫米)，并要包含一個(gè)或多個(gè)風(fēng)扇以進(jìn)行強(qiáng)制空氣冷卻。但對(duì)于高度限制小于1U的系統(tǒng)，強(qiáng)制空氣冷卻也許不可行，這意味著必須采用成本高昂且表面積大的薄型散熱器來實(shí)現(xiàn)散熱管理。因此，最大效率的AC-DC電源設(shè)計(jì)顯得非常重要，因?yàn)槠鋵?duì)縮小散熱器的尺寸與成本、提高設(shè)計(jì)的整體可靠性有直接影響。

　　助力AC-DC電源設(shè)計(jì)　BCM/CCM PFC各有妙用

　　在大多數(shù)功率位準(zhǔn)工作的情況下，AC-DC電源需要某些類型的主動(dòng)式功率因數(shù)校正器(PFC)。不過，是否需要PFC，必須取決于幾個(gè)考量，包括功率位準(zhǔn)、終端應(yīng)用、設(shè)備類型和地理位置等;此外，通常還須符合EN6100-3-2或IEEE 519等規(guī)范的要求才能決定。

　　對(duì)于AC-DC電源設(shè)計(jì)，一般會(huì)把一個(gè)非隔離且離線的升壓預(yù)調(diào)節(jié)器(Pre-regulator)當(dāng)作PFC使用，其中，直流輸出電壓做為下游隔離直流對(duì)直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器的輸入。由于這兩個(gè)轉(zhuǎn)換器是彼此串連的，故總體系統(tǒng)效率ηSYS將是每個(gè)轉(zhuǎn)換器效率的乘積：

¨¨¨¨方程式1

　　由方程式1可見，在選擇最佳電源拓?fù)浼皟蓚€(gè)轉(zhuǎn)換器的控制技術(shù)時(shí)，必須要謹(jǐn)慎且全面考慮，其中有兩種PFC控制技術(shù)，第一種具有許多高效特性的系統(tǒng)解決方案是結(jié)合交錯(cuò)式雙邊界導(dǎo)通模式(BCM)PFC，另一種則為連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)PFC。

　　以BCM PFC模式而言，須搭配一個(gè)非對(duì)稱半橋(AHB)隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，其須用到一個(gè)帶有自驅(qū)動(dòng)(Self-driven)同步整流器(Synchronous Rectifier, SR)的倍流整流器次級(jí)端(Current Doubler Rectifier Secondary)。特別是對(duì)于300瓦～1仟瓦(kW)范圍的PFC來說，應(yīng)考慮選擇BCM PFC，因?yàn)樵谙嗨频墓β饰粶?zhǔn)下，BCM PFC的效率高于CCM PFC控制技術(shù)。其以一種可變頻率控制演算法為基礎(chǔ)，在這種演算法中，兩個(gè)PFC升壓功率級(jí)彼此有同步180度的異相。

　　此外，由于BCM PFC具備有效的電感漣波電流消除，電磁干擾(EMI)濾波器和PFC輸出電容中常見的高峰值電流得以減小，并使輸出PFC大電容受益于漣波電流消除，進(jìn)而讓流經(jīng)等效串連電阻(ESR)的交流RMS電流減小。不僅如此，由于升壓金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效電晶體(MOSFET)在依賴交流線的零電壓開關(guān)(ZVS)下關(guān)斷，并在零電流開關(guān)(ZCS)下導(dǎo)通，故可進(jìn)一步提高效率，而對(duì)于350瓦的交錯(cuò)式BCM PFC設(shè)計(jì)，則可去掉MOSFET散熱器，如圖1所示。

　　圖1 12伏特、300瓦的小型通用AC-DC電源

　　另一方面，CCM PFC設(shè)計(jì)中使用的升壓MOSFET則易受與頻率相關(guān)的開關(guān)損耗的影響，而開關(guān)損耗與輸入電流及線電壓成比例。藉由在零電流時(shí)關(guān)斷交錯(cuò)式BCM升壓二極體，可避免反向恢復(fù)損耗，因而可以使用成本低廉的快速恢復(fù)整流二極體，而且在某些情況下不須搭載散熱器。

　　不過，對(duì)于CCM PFC設(shè)計(jì)，反向恢復(fù)損耗是無可避免的，為解決此一問題，通常會(huì)在二極體兩端采用RC緩沖器(但這樣做會(huì)降低效率)，或者是采用較高性能的碳化矽二極體(會(huì)增加相關(guān)成本)。