突破新興高效能電源要求上的限制

　　美國環(huán)保署(EPA)的能源之星(Energy Star)計劃在2007年7月20日正式開始實施，這是針對個人電腦在不同負(fù)載下最低效能要求的規(guī)范。同時，它也為其他設(shè)備，包括企業(yè)服務(wù)器、外部電源(使用在如游戲機或筆記本電腦等)以及一系列家用設(shè)備規(guī)劃或制定了類似的要求。由于能源之星在制定時都會和其他國家和地區(qū)的同類機構(gòu)合作，因此它已在這些國家得到了采用。

　　電源在降低功耗上舉足輕重，因此面對法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和消費者的更高要求時，重新檢討其設(shè)計方式就顯得非常急迫。雖然可以改進(jìn)傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來達(dá)到更高效能要求，但可以明顯地看出，沿用舊式設(shè)計方式的產(chǎn)品，其性價比將會低。在本文中，我們將提出兩個能符合更高效能要求，并可控制目標(biāo)成本的設(shè)計方式，并將之和傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。

　　傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　為特定應(yīng)用選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時有幾個考慮因素，包括輸入電壓范圍是全球通用還是只針對特定地區(qū)，輸出電壓是單一還是多重(電流大小也是重要的條件)，效能目標(biāo)，特別是在不同負(fù)載下的效能表現(xiàn)。傳統(tǒng)上，在大批量生產(chǎn)電源時多以成本，設(shè)計工程師對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的熟悉度以及元件是否容易采購為考慮因素，其他因素還包括設(shè)計是否容易實 現(xiàn)和設(shè)計方式是否在電源產(chǎn)業(yè)鏈中為大家所熟知等。

　　較受歡迎的傳統(tǒng)設(shè)計方式主要為單開關(guān)正向、雙開關(guān)正向和半橋結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)提供了滿足目前需求的穩(wěn)固解決方案。不過如上所述，新興的標(biāo)準(zhǔn)需要電源能夠達(dá)成比先前更高的效能。過去，典型的臺式電腦電源可以達(dá)到60%～70%的最高效能，但現(xiàn)在則要求電源在額定負(fù)載的20%、50%和100%時都能達(dá)到最低80%的效能。同時，最近更出現(xiàn)了希望能夠在低于20%負(fù)載時達(dá)到70%或以上效能的趨勢，且待機功耗能夠持續(xù)下降。我們將探討三種傳統(tǒng)拓?fù)涞膬?yōu)缺點，并介紹兩種新型的拓?fù)洹?/p>

　　1 單開關(guān)正向

　　圖1中的這個拓?fù)湎喈?dāng)受到歡迎，主要原因是元件數(shù)少且設(shè)計要求簡單，但對于不同負(fù)載情況的高效能要求卻為這個拓?fù)鋷硇绿魬?zhàn)。在接近滿載或滿載時，這個拓?fù)涞男苁艿?0%占空比的限制。而在較輕負(fù)載時，開關(guān)耗損是造成效能不佳的主要原因。許多較新的設(shè)計采用功率因數(shù)校正(PFC)前端來降低諧波電流，在400 V的PFC輸出電壓下，單開關(guān)正向方式被迫使用大于900 V的開關(guān)，提高了FET的成本。

　　
圖1 單開關(guān)正向拓補

　　2 雙開關(guān)正向

　　圖2是另一個使用相當(dāng)普遍的拓?fù)?，它是解決開關(guān)電壓限制問題的升級版本。這依舊是一個會有高開關(guān)耗損的硬開關(guān)電路。其所帶來的問題是需要使用門極驅(qū)動變壓器或芯片驅(qū)動電路來推動高電壓端MOSFET。

　　
圖2 雙開關(guān)正向拓補

　　3 半橋

　　圖3中的半橋變壓器是高功率要求的另一個選擇。和單開關(guān)或雙開關(guān)正向變壓器相反，半橋變壓器可以在兩個象限工作并降低原邊FET的電流。變壓器組成結(jié)構(gòu)和輸出整流比單一正向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，也存在高開關(guān)耗損問題。

　　
圖3 半橋拓補電路結(jié)構(gòu)

　　新興拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　為了符合更高效能的要求，業(yè)界已開發(fā)了數(shù)種新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些新電路拓?fù)洳灰欢ㄊ侵感掳l(fā)明，而是新近在商業(yè)大批量應(yīng)用的。其中，兩種最受重視的拓?fù)浞謩e為有源鉗位正激和雙電感加電容(LLC)。

　　1 有源鉗位正激

　　圖4中的有源鉗位正激拓?fù)涫且粋€存在已久的軟開關(guān)結(jié)構(gòu)，雖然這種結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的正向式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類似，但過去一直被視為是難以實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，因此主要應(yīng)用在特殊領(lǐng)域，比如電信領(lǐng)域。不過，隨著新IC的推出，這種結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)變得非常簡單。

　　
圖4 采用安森美半導(dǎo)體NCP1562的有源鉗位正激拓補結(jié)構(gòu)

　　在這個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，變壓器在主開關(guān)的整個關(guān)閉時間內(nèi)通過附屬開關(guān)串行的電容進(jìn)行復(fù)位，這樣做可以消除單開關(guān)正向結(jié)構(gòu)中的無效時間。它的主要優(yōu)點包括低開關(guān)耗損，可在50%以上占空比工作，降低了原邊開關(guān)的電流應(yīng)力。同時，這個結(jié)構(gòu)也提供了自驅(qū)動同步整流功能，省去了專用門極驅(qū)動電路。加之低電壓MOSFET越來越低的價格，采用MOSFET和同步整流已經(jīng)成為實現(xiàn)低輸出電壓高電流整流的可行方案。

　　使用有源鉗位器件和進(jìn)行有源鉗位FET的控制雖然看起來會增加電路的復(fù)雜度，但卻可以通過節(jié)省緩沖電路、復(fù)位電路和較低整體開關(guān)要求加以補償。這個結(jié)構(gòu)也能夠在寬廣的輸入電壓范圍下工作，因而適合多種應(yīng)用，包括電視游戲機。

　　這個結(jié)構(gòu)的主要缺點是沒有大批量應(yīng)用，比如在計算機中，因此一般臺式機的設(shè)計工程師對它感到陌生。不過隨著像安森美半導(dǎo)體等公司不斷推出產(chǎn)品，這個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實現(xiàn)難度已經(jīng)降低了。在較大批量應(yīng)用中采用這個結(jié)構(gòu)也能夠降低采用元件的成本。這個拓?fù)涞牧硪蝗秉c是，和雙開關(guān)正向或半橋變壓器比較，需要較高額定電壓的開關(guān)。

2 LLC諧振半橋

　　圖5中的LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特別適用需要高輸出電壓的場合，如液晶和等離子電視等應(yīng)用。

　　
圖5 LLC諧振半橋拓補結(jié)構(gòu)

　　和有源鉗位拓?fù)湟粯?，這也是一款因超低開關(guān)耗損達(dá)到超高效能的軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其他優(yōu)點還包括不需輸出電感，因此可以降低實現(xiàn)的整體成本。最后，由于采用半橋配置，可以降低原邊元件的壓力。

　　另一方面，這個結(jié)構(gòu)也有一些缺點，最主要的是增加了復(fù)雜的磁性設(shè)計，輸出電容上的高紋波電流和可變頻率。同時，這個結(jié)構(gòu)在設(shè)計較寬輸入電壓范圍上也比較困難。

　　各式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的比較

　　雖然我們無法采用單一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為所有應(yīng)用的解決方案，但卻可以依具體情況來決定采用何種電路結(jié)構(gòu)。在這里，我們使用12V、20A輸出的變壓器設(shè)計來比較以上所述各式結(jié)構(gòu)的差異，比較重點放在主要的設(shè)計問題，如原邊開關(guān)、整流器、磁性、存儲電容等。雖然還有其他差異點，但不在本文的討論范圍內(nèi)。各式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的差異結(jié)構(gòu)總結(jié)如下。

　　
● 原邊開關(guān)：在300～400Vdc的輸入電壓范圍，有源鉗位變壓器的原邊峰值電流最低，單開關(guān)和雙開關(guān)正向拓?fù)鋭t擁有和有源鉗位 類似的RMS電流，但卻因MOSFET額定電壓而會有較大的導(dǎo)電耗損。

　　● 諧振半橋變壓器的直流次級整流器電壓應(yīng)力最低，接著是有源鉗位，然后是單開關(guān)和雙開關(guān)正向變壓器。由于開關(guān)突波的關(guān)系，傳統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)上的壓力更高。

　　● 保持時間要求可以通過增大電容容值或變壓器輸入范圍來達(dá)到。

　　● 在磁性方面，諧振半橋通過移除輸出電感提供明顯的簡化，不過在變壓器設(shè)計上則會有相當(dāng)高的挑戰(zhàn)性。和傳統(tǒng)正向變壓器比較，有源鉗位變壓器在相同頻率下的輸出電感可以減小約13%。

　　● 諧振半橋變壓器由于沒有輸出電感，因此輸出電容電流紋波最高。

　　● 有源鉗位正激變壓器的開關(guān)頻率可以推升到更高(200～300kHz)，硬開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則在150kHz以下。諧振半橋是一個可變頻率的變壓器，在滿載低電源電壓時，其最低頻率通常設(shè)定在60～70kHz；高電源電壓輕載工作時，最高頻率可以達(dá)到數(shù)百kHz。