使用隔離反激式拓撲設(shè)計開關(guān)模式電源
發(fā)布時間:2018-06-07 來源:Art Pini 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】由于所有電子系統(tǒng)都需要某種類型的電源,因此電源的研究已比較透徹,人們對它也比較了解。但是,由于從移動設(shè)備到線路供電硬件等應(yīng)用中的電源持續(xù)呈現(xiàn)出體積減小,能效、可靠性和電源完整性要求提高的趨勢,電源的設(shè)計和選擇仍舊對工程師們構(gòu)成了嚴峻的挑戰(zhàn)。
隨著 5G 等高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的興起,定時和噪聲容限要求也變得極高。
為了解決以小巧的外形實現(xiàn)高效、可靠供電的難題,電源設(shè)計人員正在將反激式拓撲用于開關(guān)模式電源 (SMPS)。此拓撲適用于高達 150 瓦的功率水平,可提供元器件數(shù)少、尺寸小且成本低的設(shè)計,還提供輸入/輸出隔離以及卓越能效等優(yōu)點。
本文將討論開關(guān)模式電源的工作原理,并簡要了解電源的自制與外購決策過程。此外還將研究采用反激式拓撲的單輸出電源設(shè)計,并提供使用現(xiàn)成零件和元器件的設(shè)計示例。
開關(guān)模式電源
SMPS(即轉(zhuǎn)換開關(guān))作為一種電源,使用開關(guān)穩(wěn)壓器維持來自交流或直流電源的穩(wěn)定輸出電壓。開關(guān)穩(wěn)壓器使用一個或多個半導(dǎo)體器件(例如雙極結(jié)式晶體管、MOSFET 或 IGBT)在通斷狀態(tài)之間切換,以維持輸出電壓調(diào)節(jié)。這些器件可采用固定“導(dǎo)通”時間和可變頻率工作,或是更常見的是,以固定頻率和可變占空比工作。開關(guān)器件處于“導(dǎo)通”或“關(guān)斷”狀態(tài)時的功率耗散較低,因而能效較高。器件僅在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間才會耗散功率。此外,由于開關(guān)頻率通常為數(shù)十千赫,因此可以大幅縮小變壓器、電感器和電容器的尺寸,實現(xiàn)高容積效率。
潛在的電磁干擾 (EMI) 會抵消 SMPS 的優(yōu)勢。這要歸因于開關(guān)瞬態(tài),但通過細致的元器件選擇、布局和屏蔽可以加以改善。因此,SMPS 的優(yōu)勢遠遠超過了它的缺點,這讓 SMPS 成為最常用的電源,而線性電源則退居至僅用于最靈敏的電子應(yīng)用。
SMPS 拓撲
SMPS 可以在多種不同的電路設(shè)計或拓撲中實現(xiàn)。常用的拓撲有數(shù)十種(表 1)。
表 1:10 種最常用的開關(guān)模式電源拓撲(數(shù)據(jù)來源:Digi-Key Electronics)
反激式拓撲
反激式轉(zhuǎn)換器是最常用的 SMPS 電路(圖 1)。
圖 1:使用單個 MOSFET 開關(guān)和反激式變壓器的反激式轉(zhuǎn)換器功能示意圖。(圖片來源:Digi-Key Electronics)
反激式拓撲的主要優(yōu)勢是它的簡單性。在任意給定的功率水平下,該拓撲是元器件數(shù)最少的 SMPS 拓撲。電源可使用直流或交流電源供電。當配置為從交流線路(市電)工作時,線路通常采用全波整流。輸入源 (Vi) 為直流。
該電路的核心是反激式變壓器。與傳統(tǒng)的變壓器繞組不同,反激式變壓器的初級和次級繞組不會同時承載電流。這是因為繞組相為反相,繞組上的圓點記號和次級側(cè)的串聯(lián)二極管指示了這一點。
使用反激式變壓器帶來了幾個好處。首先,電源的初級側(cè)和次級側(cè)可以電氣隔離。隔離減少了初級側(cè)的瞬態(tài)耦合、消除了接地環(huán)路,并在電源的輸出極性方面提供了更大的靈活性。
利用該變壓器可以在電源中生成多個輸出電壓。變壓器針對每個電壓增加額外的繞組。調(diào)壓僅基于單一輸出,而次級輸出通常在局部進行調(diào)壓。
電路從開啟開關(guān)(例如 MOSFET)開始工作(圖 2)。
圖 2:分別顯示兩種工作模式的原理波形的反激式電源工作情況。(圖片來源:Digi-Key Electronics)
當開關(guān)處于接通狀態(tài)時,VDRAIN 近乎零伏,電流 IP 流經(jīng)變壓器的初級繞組。能量儲存在變壓器的磁化電感中。此電流隨時間呈線性增長。次級側(cè)的串聯(lián)二極管被反向偏壓,并且次級側(cè)沒有電流流動。儲存在輸出電容器的能量向輸出供應(yīng)電流。
當 MOSFET 開關(guān)被關(guān)斷時,變壓器中儲存的能量通過二極管輸出到輸出電容器和輸出負載。次級電流值開始時較高,之后以線性方式遞降。如果次級電流在開關(guān)重新接通之前降至零,則電源被稱為斷續(xù)電流模式 (DCM) 電源。反之,如果次級電流沒有降至零,則電源被稱為連續(xù)電流模式 (CCM) 電源。由于電感器中儲存的能量在每個開關(guān)周期都會完全釋放,因此 DCM 電源可以使用較小的變壓器。此外,該電源通常更穩(wěn)定,產(chǎn)生的 EMI 也更低。
儲存在變壓器漏泄電感中的能量在開關(guān)關(guān)斷時流入初級側(cè),并由輸入箝位或“吸收”電路吸收,該電路的作用是保護半導(dǎo)體開關(guān)不會被高感應(yīng)電壓損壞。只有當開關(guān)在通斷狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時才會耗散功率(圖 3)。
圖 3:顯示 MOSFET 開關(guān)的電壓和電流波形以及瞬時功率耗散的反激式電源測量。(圖片來源:Digi-Key Electronics)
圖 3 中最上面的跡線是反激式電源中 MOSFET 開關(guān)的電壓。彩色覆蓋部分指示 MOSFET 的狀態(tài)。藍色覆蓋部分指示器件處于導(dǎo)通狀態(tài),而紅色區(qū)域則指示器件處于關(guān)斷狀態(tài)。中間的跡線是流經(jīng)器件的電流。最下面的跡線顯示瞬時功率,其計算方法為所施加電壓與所產(chǎn)生電流的乘積。可以觀察到,開關(guān)轉(zhuǎn)換期間的功率耗散最明顯。而跡線下面的讀數(shù)自左至右依次顯示:開啟、導(dǎo)通、關(guān)閉和關(guān)斷狀態(tài)期間的功率損耗,以及所有區(qū)域的功率損耗總和。
控制器/穩(wěn)壓器
開關(guān)器件(如圖 2 所示示意圖中的 MOSFET)由控制器或開關(guān)模式穩(wěn)壓器驅(qū)動。多數(shù)情況下,控制器會將脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 波形應(yīng)用于開關(guān)的控制元件,對 MOSFET 而言即為柵極。電源輸出被反饋到控制器,控制器則通過改變柵極驅(qū)動信號的占空比來保持恒定的輸出電壓。這樣,控制器就圍繞反激式轉(zhuǎn)換器構(gòu)成了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。
控制器還可以處理數(shù)種輔助功能,例如防止電源出現(xiàn)過載、過壓或低功率線路狀態(tài),還能管理電源的啟動,確保實現(xiàn)有效控制的(“軟”)啟動,最大限度減小初始電流和電壓瞬態(tài)。
SMPS 設(shè)計
有多家半導(dǎo)體元器件供應(yīng)商提供有設(shè)計工具,可幫助設(shè)計開關(guān)模式電源,例如 Texas Instruments 的 WEBENCH Power Designer(圖 4)。
圖 4:Texas Instruments WEBENCH 電源設(shè)計中心的開啟頁面顯示了 25 瓦 5 伏反激式電源 SMPS 設(shè)計的基本規(guī)格。(圖片來源:Digi-Key Electronics)
該設(shè)計從用戶輸入供電電壓范圍、目標輸出電壓和電流等電源規(guī)格開始。本案例中,目標設(shè)計為采用隔離式拓撲、從交流電源工作的 5 伏、5 安電源。而對于更復(fù)雜的多輸出電源,還提供有高級電源架構(gòu)設(shè)計工具。
該軟件從這一點開始一系列的設(shè)計并提示用戶選擇控制器。用戶可以查看每項設(shè)計的原理圖、物料清單 (BOM) 成本、能效和一些相關(guān)的電路規(guī)格。
此示例選擇的是 Texas Instruments UCC28740 反激式轉(zhuǎn)換器,并且顯示了設(shè)計原理圖(圖 5)。
圖 5:使用 WEBENCH 建議的光隔離反饋的 25 瓦交流 SMPS 原理圖。(圖片來源:Digi-Key Electronics)
將指針指向原理圖上的任意元器件都會顯示詳細的零件描述,并且還有機會選擇替代元器件??刂破?(U1) 通過 CEL PS2811-1-F3-A 光隔離器接收輸出反饋。此反饋方法會在電路的初級部分與次級部分之間保持電氣隔離??刂破鲃t將 PWM 驅(qū)動信號提供給電源開關(guān) M1,即 STMicroelectronics 的 STB21N90K5 900 伏、18.5 安 MOSFET。此外,該設(shè)計工具還能幫助選擇或設(shè)計反激式變壓器。
設(shè)計摘要頁概述了關(guān)鍵設(shè)計元素(圖 6)。
圖 6:設(shè)計摘要整合了所建議設(shè)計的全部元素。(圖片來源:Digi-Key Electronics)
用戶可以利用優(yōu)化器的調(diào)整部分來優(yōu)化設(shè)計,實現(xiàn)最低 BOM 成本、最小封裝或最高能效。經(jīng)驗不足的設(shè)計人員也可以利用此工具,通過查看多項設(shè)計以及元器件變化所產(chǎn)生的影響來獲取經(jīng)驗。
自制還是外購?
毫無疑問,工程師除非有 SMPS 方面的相關(guān)經(jīng)驗,否則都會有一個學(xué)習(xí)過程。如果上市時間非常重要,那么最好購買標準電源,或訂立合同獲得自定義電源設(shè)計。但如果有時間和技術(shù)人員,尤其當多個項目都需要電源時,設(shè)計電源也是值得的。換言之,反復(fù)接觸 SMPS 設(shè)計將會增進設(shè)計人員所需的專業(yè)知識。
總結(jié)
開關(guān)模式電源可提供較高的能效和較小的尺寸。針對低于 150 瓦的功率水平,采用反激式拓撲的電源具有多路輸出、元器件數(shù)少和線性隔離等優(yōu)勢。
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