RDFC——低成本單電壓輸入開關(guān)電源

離線式 AC/DC 電源廠商日益感受到成本增加的壓力,必須停止生產(chǎn)體積大、效率低的線性電源轉(zhuǎn)換器,并以結(jié)構(gòu)更小、更輕及效率更高的開關(guān)電源(SMPS)產(chǎn)品來取代。

反激式(Flyback)及自激式轉(zhuǎn)換器(Ringing choke converter, RCC)是兩種最常用的SMPS產(chǎn)品,適合用于全區(qū)域輸入充電器和適配器。它們能滿足市場對于節(jié)能的需求,但是從商業(yè)角度來說,對于特定市場的低價且量產(chǎn)的產(chǎn)品來說,并不是線性電源理想的替代方案。反激式及自激式轉(zhuǎn)換器被公認為是成本昂貴,且設(shè)計線路更為復雜的解決方案。特別是在音響、無繩電話和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等需要額外濾波電路的應(yīng)用上,更需要高水平的設(shè)計能力。因此,許多消費電子制造商并不愿意引入SMPS拓樸。

不過,新型單開關(guān)組件的諧振非連續(xù)正激式轉(zhuǎn)換器(Resonant Discontinuous Forward Converter, RDFC)拓樸的出現(xiàn),會讓制造商愿意重新審視他們的決定。這個新方案為耗電量低于60W的設(shè)備與低成本SMPS結(jié)構(gòu)之間搭起了一座橋梁,它能夠提供高效率、低待機功耗且小尺寸的SMPS拓樸結(jié)構(gòu),而其電路設(shè)計更為簡單,且系統(tǒng)成本與同等級的線性電源轉(zhuǎn)換器差不多或更低。

這項技術(shù)提供了更具有成本效益的方法,并可通過以下特點來增加SMPS拓樸的效能：

·諧振轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生很低的EMI：這個方法最適合用在音響及其它對EMI要求嚴格的應(yīng)用,反激式設(shè)計需要復雜的次級濾波電路,以符合低EMI的要求。

·零電壓切換：提供更高的電源轉(zhuǎn)換效率,遠優(yōu)于現(xiàn)有能源之星(Energy Star)或其它監(jiān)管機構(gòu)的要求標準
· 使用成本低廉的三極管電源開關(guān)：一般而言,三極管電源開關(guān)的成本只有反激式SMPS拓樸中所使用的快速MOSFET開關(guān)價格的25%~30%。然而這種結(jié)構(gòu)也有其設(shè)計難點,如需要開發(fā)新的精密混合信號控制器,確保電源供應(yīng),不管負載如何變化,都可以一直以最佳效率運行,且平均電源轉(zhuǎn)換效率超過80%,無負載功耗低于100 mW。

RDFC-低成本開關(guān)電源

如同反激式技術(shù)一樣,正激式轉(zhuǎn)換器在超過100W的AC/DC離線式電源方面仍然是非常受歡迎的結(jié)構(gòu);由于在適配器鐵氧體芯內(nèi)不存儲能量,與反激式技術(shù)相比,在鐵芯的尺寸上縮小了許多。然而此方法沒有用在較低的電源應(yīng)用上,這是因為在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中,需要配有輸出扼流圈和續(xù)流二極管(Free Wheel Diode, FWD)才能運作。

諧振非連續(xù)正激式不僅具有適配器鐵芯較小的優(yōu)點,同時也不需要輸出扼流圈和續(xù)流二極管,對于6W~60W的市場,此方案更具有商業(yè)吸引力。RDFC的簡化電路如圖1所示。 次級側(cè)電路中只有一個正向二極管和輸出電容器,加上初級側(cè)電感和諧振電容所形成的諧振電路與開關(guān)。

圖1 RDFC拓撲的簡化電路圖

正激式轉(zhuǎn)換器只是通過適配器匝數(shù)比(Turns Ratio)函數(shù)的結(jié)果穩(wěn)壓,也就是說輸出電壓可以由輸入電壓及適配器匝數(shù)比計算出來。換言之,它沒有反饋電路且不需要光學耦合器,這樣就節(jié)省了系統(tǒng)和制造成本,并容易通過安全認證。RDFC結(jié)構(gòu)也不會導致輸出電壓上升至不安全的范圍,而如果反激式在反饋回路出現(xiàn)故障時,就會發(fā)生此情況。

反激式拓樸中硬切換的特性,在電壓和電流切換波形內(nèi)往往因存在高頻成分而產(chǎn)生大量的電磁噪聲。為了符合EMI規(guī)定,適配器必須小心地構(gòu)建,并加上昂貴的Y電容及共模扼流圈以減少噪聲耦合,這些都是實際操作中的額外電氣成本。

RDFC實現(xiàn)中的半正弦(諧振波形)沒有這類高頻成分。這減少了電源的噪聲,且具有高達20W的輸出電源供應(yīng)能力,而不需要Y電容來進行濾波。

半正弦的電壓峰值變化,是因為電源輸入大型充電電容上的電壓波動所致。電壓中的微小變化耦合到大電容電感上,引起了像自然抖動的開關(guān)頻率移位,進一步改善了RDFC的EMI性能。

降低整體系統(tǒng)成本的最主要原因是采用了低成本的三極管。此方法使用零電壓開關(guān),在電流流動之前,電壓先降至極低的狀態(tài),如圖2所示。整體的結(jié)果是,由于系統(tǒng)性能并不依賴快速開關(guān),因此可以使用較慢的標準三極管,而不需常用于反激式設(shè)計中的快速開關(guān)MOSFET組件。和MOSFET相比,三極管有較高的截面電流密度,可降低傳導損耗,因而可以較低的成本提供較高的系統(tǒng)效率。

圖2 在反擊式轉(zhuǎn)換器中,開關(guān)的重迭是造成低效率的原因,而RDFC采用零電壓軟件開關(guān)來降低這些損耗

圖3所示為一個7 W 的RDFC的電源轉(zhuǎn)換效率對應(yīng)于負載的曲線,通過與能源之星的規(guī)定及典型線性轉(zhuǎn)換器比較,效率超過80%,而系統(tǒng)成本則和線性設(shè)計差不多或更低。

圖3 劍橋半導體的RDFC拓撲在7W應(yīng)用中的電源轉(zhuǎn)換效率

峰值功率能力

正激式轉(zhuǎn)換器會在正向周期內(nèi)(即開關(guān)開啟且導通時),透過適配器將能量從初級側(cè)(Primary)傳遞到次級側(cè)(Secondary)。與反激式方案不同,適配器里沒有存儲能量,這帶來兩項好處：
·峰值功率能力：非常適用于需要短脈沖功率的應(yīng)用。

·變壓器鐵芯尺寸：在反激式電源中,電源從鐵芯獲得有限的能量,這不利于選擇較小尺寸的鐵芯。但RDFC則不同,就相同的輸出功率而言,RDFC所使用的變壓器和現(xiàn)有線性變壓器比較,在體積上大為縮小。

先進的模擬和數(shù)字控制功率
RDFC電路比反激式設(shè)計的整體組件數(shù)量更少,而且在設(shè)計時間及人力的需求上也降低許多。在RDFC結(jié)構(gòu)中使用的C2470系列混合信號控制器,更進一步簡化了電路,也將安全性及保護功能整合至芯片,并同時有模擬和數(shù)字控制回路,以確保電源供應(yīng)操作處于最佳狀態(tài)

控制器擁有智能型設(shè)計,可以通過檢測諧振時間來進行最低電壓切換、決定占空比、設(shè)定限制電流以及進入待機模式。這5種數(shù)字控制模式如圖4所示：待機模式、正常模式、過載模式、折返模式 (Foldback Mode) 以及電源突發(fā)模式(Power Burst Mode)。

圖4 C2470系列混合信號控制器的5中控制模式能在不同運行狀態(tài)中保持最佳的性

三極管的基極驅(qū)動和開關(guān)飽和為專利技術(shù),確?？刂凭w管的電流受到控制,以降低初級開關(guān)晶體管中的開關(guān)損耗,優(yōu)化整體的系統(tǒng)效率,如圖5所示。

圖5 芯片集成了模擬反饋回路,以便智能的驅(qū)動低成本三極管

結(jié)語

諧振電源轉(zhuǎn)換器效率非常高,但一直都未能以商業(yè)化形式應(yīng)用在大量的消費性電子市場中。新的混合信號控制器已經(jīng)可以大量供應(yīng),讓制造商能以新穎的電源轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)來設(shè)計低成本的開關(guān)電源,并取代6W~60W功率范圍的線性電源轉(zhuǎn)換器。它們擁有80%以上的電源轉(zhuǎn)換效率,并且在無負載時,電源最低功耗不超過 100mW;在數(shù)據(jù)表現(xiàn)上比標準且昂貴的反激式更為優(yōu)越。