[经验]

高密度准谐振反激式转换器技术提高电源的整体能效

2018-10-19 08:59:53

1215 安森美电源转换器

全球法规和新的标准迫使电源设计人员提高电源的整体能效。美国和欧洲能源部门已经确定了新的能效标准。如果我们看看欧洲行为准则，一个40-W电源的最低平均能效在2014年和2016年之间约提升1%。请参考表1看能效的演变。

表1：欧洲行为准则
除了这些建议，一些客户对他们的适配器提出了比美国和欧洲标准更高的目标。事实上，当整体能效提高，功率损失降低，因而适配器的大小和成本可以减少（例如，减少散热）。
为了进一步缩小尺寸，我们可以增加开关频率。得益于该技术，磁通量可减少。例如，工作于50或60 kHz的开关频率时，不是使用一个RM8磁芯工作，300 kHz的频率将令我们能使用一个更小的核如RM6型（1825毫米至837毫米）。
两个主要目标促进该设计：能效和尺寸。正如上面所解释的，两者都是联系在一起的。为了缩小尺寸，我们必须限制损耗，提高能效。在反激电源中，我们可以确定大多数损耗来自：
-       前端: 桥二极管和体电容
-       变压器:  铁和铜的损耗
-       初级开关MOSFET 和检测电阻: 漏源rDS(on)和开关损耗
-       MOSFET 尖峰吸收电路: RCD 吸收或瞬态电压抑制器(TVS)
-       次级端整流: 输出二极管或同步整流
-       输出电容: 等效串联电阻(ESR)
-       Vcc 损耗

图1：简化的反激式电路原理图
仔细地选择每一个关键元件以在满载时的能效超过90%，无论输入电压多少。以输入整流为例，二极管较低的正向电压和动态电阻已被选定或体电容的ESR有限。同样的研究已经在初级开关MOSFET完成。必须在漏源导通电阻(rDS(ON))的导通损耗和主要与总门极电荷相关的开关损耗之间权衡取舍。最后一个参数更重要，因为这个设计的开关频率增加。
安森美半导体按照这种高开关频率的策略设计了一个演示板。用于此板的控制器是NCP1339准谐振（QR）控制器，具有高压（HV）启动电流源和X2电容放电功能。结合次级端的同步整流控制器（NCP4305），该转换器置于58.7×38.2厘米的板上。
下面的图片显示了组装的原型。在布板阶段已密切注意，以在使用现有的元件时增加功率密度。功率密度已经达到0.80 W/cm3 。

图2：NCP1339GGEVB 58.7mm x 38.2mm x 25mm
已捕获不同条件下的一些典型的波形，如下所示：

图3：低电源电压(120 V dc)，满载(2.4 A) =>几乎零电压开关工作

图4：高电源电压(325 V dc)，满载(2.4 A) =>由于谷底锁定，第三谷底工作以限制开关频率漂移
与QR工作相关的常见问题是所谓的谷跳现象。由于控制器同步漏极谷（最低电压），当输入和输出条件改变，谷的变化意味着分立频率的步幅。由于在这一阶段的峰值被冻结，不稳定发生，并可能引起噪声。采用NCP1339解决了该问题，NCP1339含专有锁定电路：当一个谷被选中，控制器锁定并保持此状态，直至反馈电压明显增加或减少。
由于这个锁定功能结合一个压控振荡器，在轻负载条件下，开关频率漂移仍然存在，无论输出功率多少。频率演化已在低和高的电源电压被捕获。您可以看到，开关频率比传统的反激式设计高（350 kHz与固定频率60-70千赫转换器）。

图5：开关频率vs. 输出功率– 低电源电压

图6：开关频率vs. 输出功率– 高电源电压
围绕这个演示板已经进行了另一个关键的测量，即能效。如表1所示，欧洲和美国的标准将在2016年发生变化，并日趋严格。对于一个45-W应用，在10%的最大负荷下的平均能效将提高到88.9%以上和77.7%以上。我们设计的板符合这些要求如表2和图7所示。

表2：平均能效和10%的负载能效

图7：能效vs. 输出功率
我们最后检查的一点是空载待机功耗。这种适配器的一个典型应用是笔记本电脑。大多数时候，电源仍然保持插入电源，即使当设备完全充电或关闭时。在这些条件下，充电器的功耗必须尽可能低。由于高压启动电流源和嵌入式X2电容放电电路，省去了通常永久连接到高电压的电阻串，在115 V RMS（精确地25兆瓦）和230 V RMS 时的待机输入消耗分别保持在30 mW 和31mW以下。