滿足新型高效穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的要求
作者：上海穩(wěn)壓器廠 發(fā)布時(shí)間：2016-09-23
美國(guó)環(huán)境保護(hù)署的“能源之星(EPA)(Energy Star)計(jì)劃正式開始于2007年7月20日,這是最低性能要求的個(gè)人電腦在不同荷載作用下。同時(shí),它也為其他設(shè)備,包括穩(wěn)壓器服務(wù)器或外部穩(wěn)壓器(使用在如...美國(guó)穩(wěn)壓器署(EPA)能源之星(Energy Star)計(jì)劃正式開始于2007年7月20日,這是不同的荷載規(guī)范下的最低效率的個(gè)人電腦。同時(shí),它也為其他設(shè)備,包括穩(wěn)壓器服務(wù)器或外部穩(wěn)壓器(使用在如游戲機(jī)或筆記本電腦等)等一系列家居設(shè)備規(guī)劃或制定了類似的要求。由于能源之星在制定和其他國(guó)家和地區(qū)的同類機(jī)構(gòu),所以它已在這些國(guó)家通過。穩(wěn)壓器在降低穩(wěn)壓器消耗的平衡,所以在面對(duì)監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)和消費(fèi)者的需求較高,重新審查其設(shè)計(jì)是非常緊迫的。雖然傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以提高,以實(shí)現(xiàn)更高效,但它可以清楚地看到,舊的設(shè)計(jì)的產(chǎn)品,價(jià)格會(huì)低。在本文中,我們提出了兩種設(shè)計(jì)方法,可以滿足更有效的要求,并控制目標(biāo)的成本,并比較它與傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)于一個(gè)特定的應(yīng)用程序拓?fù)溥x擇的幾個(gè)因素,包括傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),輸入電壓范圍是普遍的還是只適用于一個(gè)特定區(qū)域,輸出電壓是單個(gè)或多個(gè)(電流大小也是重要的條件),績(jī)效目標(biāo),尤其是在不同載荷下的性能現(xiàn)在。傳統(tǒng)上,在成本的大規(guī)模生產(chǎn)中,設(shè)計(jì)工程師的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和熟悉的組件是易于購(gòu)買的考慮因素,其他因素也包括設(shè)計(jì)很容易實(shí)現(xiàn),在穩(wěn)壓器產(chǎn)業(yè)鏈的設(shè)計(jì)是已知的。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法主要是流行的單或雙開關(guān)正向開關(guān)的前向開關(guān)和半橋結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)。滿足當(dāng)前的需要的一個(gè)堅(jiān)實(shí)的解決方案。然而,如上所述,新興的標(biāo)準(zhǔn)需要權(quán)力,以實(shí)現(xiàn)更高的效率比以前。在過去,一個(gè)典型的臺(tái)式機(jī)穩(wěn)壓器可以實(shí)現(xiàn)最高性能的70%至60%,但現(xiàn)在需要在額定負(fù)載的20%或50%的穩(wěn)壓器和100%可以達(dá)到80%的最低。同時(shí),最近似乎能夠?qū)崿F(xiàn)20%以上的70%個(gè)或更多的負(fù)載下的性能趨勢(shì),待機(jī)功耗可以繼續(xù)下降。我們將討論的三種傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),并介紹了兩種新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。1單交換機(jī)在圖1這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是相當(dāng)流行的,主要是由于小數(shù)量的組件和設(shè)計(jì)要求,但對(duì)于不同的負(fù)載條件下的高效率可以是這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個(gè)新的挑戰(zhàn)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的效率是有限的,當(dāng)它接近滿負(fù)荷或滿載時(shí)的50%占空比。在輕負(fù)載時(shí),開關(guān)損耗主要是由性能差引起的。許多新的設(shè)計(jì)使用功率因數(shù)校正(PFC)前端降低諧波電流,在PFC輸出電壓400 V,單開關(guān)正激模式被迫使用超過900 V開關(guān)FET的成本,提高。圖1單開關(guān)正向擴(kuò)展2雙開關(guān)前圖2是另一個(gè)使用一個(gè)相當(dāng)常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),這是一個(gè)升級(jí)版本的問題,解決了開關(guān)電壓限制。它仍然是一個(gè)硬開關(guān)電路,具有很高的開關(guān)損耗。問題是需要使用柵極驅(qū)動(dòng)穩(wěn)壓器或芯片的驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)MOSFET。圖2雙開關(guān)前半橋穩(wěn)壓器3圖3中的一半,是另一個(gè)高功率要求的選擇。單或雙開關(guān)正激開關(guān)和穩(wěn)壓器電流互感器可以代替,半橋的兩象限和降低原邊FET。穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)和輸出整流器比單一的正拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更復(fù)雜,也有高的開關(guān)損耗。圖3半橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以滿足新的更高的性能要求,穩(wěn)壓器已經(jīng)開發(fā)了一些新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不一定是一個(gè)新的發(fā)明,而是一個(gè)新的應(yīng)用程序的新電路。其中,最重要的兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有源箝位正激和雙電感和電容(LLC)。1有源箝位正激有源箝位正激拓?fù)鋱D4是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的軟開關(guān)結(jié)構(gòu),雖然類似的結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的積極的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),但在過去一直被視為一個(gè)結(jié)構(gòu)是很難實(shí)現(xiàn)的,所以主要的[工業(yè)電器網(wǎng)-中國(guó)工業(yè)電器網(wǎng)]被應(yīng)用在特殊的領(lǐng)域例如,電信領(lǐng)域。然而,隨著新的集成電路的引入,這種結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)變得非常簡(jiǎn)單。圖4一個(gè)morimi半導(dǎo)體ncp1562有源箝位正激拓?fù)渫負(fù)浣Y(jié)構(gòu)中,由電容器開關(guān)復(fù)位串行附屬在全關(guān)閉時(shí)間的穩(wěn)壓器主開關(guān),它可以消除無效時(shí)間的結(jié)構(gòu)提出了單開關(guān)。它的主要優(yōu)點(diǎn)包括低開關(guān)損耗,可以在50%以上的占空比,減少開關(guān)上的主電流應(yīng)力。同時(shí),這種結(jié)構(gòu)還提供了自驅(qū)動(dòng)的同步整流功能,省去了特殊的柵極驅(qū)動(dòng)電路。此外,低電壓MOSFET的價(jià)格越來越低,使用MOSFET和同步整流技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)低電壓大電流整流器的一種可行的方案。利用有源鉗位器件和有源箝位晶體管控制雖然它似乎增加了電路的復(fù)雜性,但它可以用于保存緩沖電路、復(fù)位電路和較低的總開關(guān)的要求得到補(bǔ)償。這種結(jié)構(gòu)也可以被用于在一個(gè)范圍廣泛的輸入電壓范圍,因此是適合于廣泛的應(yīng)用,包括視頻游戲機(jī)。這種結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是,有沒有大量的應(yīng)用程序,如在計(jì)算機(jī)中,所以一般的臺(tái)式機(jī)設(shè)計(jì)工程師是不熟悉的。然而,作為一個(gè)morimi半導(dǎo)體等公司不斷推出產(chǎn)品,這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)減少。在較大的該結(jié)構(gòu)也可以被用來降低在批處理應(yīng)用程序中的組件的成本。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的另一個(gè)缺點(diǎn)是比較兩個(gè)開關(guān)的正向或半橋穩(wěn)壓器,開關(guān)到更高的額定電壓。在圖5中的2的有限責(zé)任公司的諧振半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),特別是對(duì)高輸出電壓的應(yīng)用,如液晶顯示器和等離子電視應(yīng)用。圖5有限責(zé)任公司諧振半橋拓?fù)浜陀性淬Q位拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),這是一個(gè)超低的開關(guān)損耗,由于軟開關(guān)拓?fù)涑咝АＦ渌膬?yōu)點(diǎn)包括不輸出電感,因此可以降低整體成本的實(shí)施。最后,由于半橋配置,可以減少壓力的主要組成部分。另一方面,該結(jié)構(gòu)也有一些缺點(diǎn),最重要的是增加的磁設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,高紋波電流和可變頻率的輸出電容。在同一時(shí)間,結(jié)構(gòu)更難以設(shè)計(jì)一個(gè)寬的輸入電壓范圍。雖然我們不能使用一個(gè)單一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為一個(gè)解決方案,所有的應(yīng)用程序,它可以被用來確定電路的結(jié)構(gòu),根據(jù)具體情況。在這里,我們使用12V或20A的輸出穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)比較各種結(jié)構(gòu)的差異,并比較集中在主要的設(shè)計(jì)問題,如原邊開關(guān)或整流器或磁性或存儲(chǔ)電容器等。雖然有其他的差異,但不是在本文的范圍。各種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的差分結(jié)構(gòu)如下。一次側(cè)開關(guān):300 ~ 400vdc輸入電壓范圍,有源箝位穩(wěn)壓器初級(jí)峰值電流最小,單開關(guān)和雙開關(guān)正激有源鉗位和類似的均方根電流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),但由于MOSFET的額定電壓,將有更多的導(dǎo)電損耗。直流電壓互感器二次整流橋諧振半橋應(yīng)力最小,然后有源鉗位,然后單開關(guān)和雙開關(guān)正向穩(wěn)壓器。由于開關(guān)浪涌之間的關(guān)系,傳統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)更高。停留的時(shí)間可以通過增加的電容值或穩(wěn)壓器的輸入范圍來實(shí)現(xiàn)的請(qǐng)求。在磁特性中,諧振式半橋通過除去輸出電感提供了一個(gè)明顯的簡(jiǎn)化,但在穩(wěn)壓器高的設(shè)計(jì)中,這將是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)的前向穩(wěn)壓器相比,有源鉗位穩(wěn)壓器的輸出電感在同一頻率下可減少約13%。無輸出電感的諧振穩(wěn)壓器,輸出電容電流紋波最高。有源箝位正激式穩(wěn)壓器開關(guān)頻率可以提升到一個(gè)較高的(200~300kHz),硬開關(guān)拓?fù)湫∮?50khz。是一個(gè)可變的穩(wěn)壓器的諧振頻率,負(fù)載供電電壓低,最低的頻率通常設(shè)定在60 ~ 70khz;輕負(fù)載的高電壓穩(wěn)壓器,最高頻率可達(dá)幾百千赫
