RDFC——低成本单电压输入开关电源

离线式 AC/DC 电源厂商日益感受到成本增加的压力,必须停止生产体积大、效率低的线性电源转换器,并以结构更小、更轻及效率更高的开关电源(SMPS)产品来取代。

反激式(Flyback)及自激式转换器(Ringing choke converter, RCC)是两种最常用的SMPS产品,适合用于全区域输入充电器和适配器。它们能满足市场对于节能的需求,但是从商业角度来说,对于特定市场的低价且量产的产品来说,并不是线性电源理想的替代方案。反激式及自激式转换器被公认为是成本昂贵,且设计线路更为复杂的解决方案。特别是在音响、无绳电话和网络设备等需要额外滤波电路的应用上,更需要高水平的设计能力。因此,许多消费电子制造商并不愿意引入SMPS拓朴。

不过,新型单开关组件的谐振非连续正激式转换器(Resonant Discontinuous Forward Converter, RDFC)拓朴的出现,会让制造商愿意重新审视他们的决定。这个新方案为耗电量低于60W的设备与低成本SMPS结构之间搭起了一座桥梁,它能够提供高效率、低待机功耗且小尺寸的SMPS拓朴结构,而其电路设计更为简单,且系统成本与同等级的线性电源转换器差不多或更低。

这项技术提供了更具有成本效益的方法,并可通过以下特点来增加SMPS拓朴的效能：

·谐振转换时产生很低的EMI：这个方法最适合用在音响及其它对EMI要求严格的应用,反激式设计需要复杂的次级滤波电路,以符合低EMI的要求。

·零电压切换：提供更高的电源转换效率,远优于现有能源之星(Energy Star)或其它监管机构的要求标准。

· 使用成本低廉的三极管电源开关：一般而言,三极管电源开关的成本只有反激式SMPS拓朴中所使用的快速MOSFET开关价格的25%~30%。然而这种结构也有其设计难点,如需要开发新的精密混合信号控制器,确保电源供应,不管负载如何变化,都可以一直以最佳效率运行,且平均电源转换效率超过80%,无负载功耗低于100 mW。

RDFC-低成本开关电源

如同反激式技术一样,正激式转换器在超过100W的AC/DC离线式电源方面仍然是非常受欢迎的结构;由于在适配器铁氧体芯内不存储能量,与反激式技术相比,在铁芯的尺寸上缩小了许多。然而此方法没有用在较低的电源应用上,这是因为在传统结构的应用中,需要配有输出扼流圈和续流二极管(Free Wheel Diode, FWD)才能运作。

谐振非连续正激式不仅具有适配器铁芯较小的优点,同时也不需要输出扼流圈和续流二极管,对于6W~60W的市场,此方案更具有商业吸引力。RDFC的简化电路如图1所示。 次级侧电路中只有一个正向二极管和输出电容器,加上初级侧电感和谐振电容所形成的谐振电路与开关。

图1 RDFC拓扑的简化电路图[!--empirenews.page--]

正激式转换器只是通过适配器匝数比(Turns Ratio)函数的结果稳压,也就是说输出电压可以由输入电压及适配器匝数比计算出来。换言之,它没有反馈电路且不需要光学耦合器,这样就节省了系统和制造成本,并容易通过安全认证。RDFC结构也不会导致输出电压上升至不安全的范围,而如果反激式在反馈回路出现故障时,就会发生此情况。

反激式拓朴中硬切换的特性,在电压和电流切换波形内往往因存在高频成分而产生大量的电磁噪声。为了符合EMI规定,适配器必须小心地构建,并加上昂贵的Y电容及共模扼流圈以减少噪声耦合,这些都是实际操作中的额外电气成本。

RDFC实现中的半正弦(谐振波形)没有这类高频成分。这减少了电源的噪声,且具有高达20W的输出电源供应能力,而不需要Y电容来进行滤波。

半正弦的电压峰值变化,是因为电源输入大型充电电容上的电压波动所致。电压中的微小变化耦合到大电容电感上,引起了像自然抖动的开关频率移位,进一步改善了RDFC的EMI性能。

降低整体系统成本的最主要原因是采用了低成本的三极管。此方法使用零电压开关,在电流流动之前,电压先降至极低的状态,如图2所示。整体的结果是,由于系统性能并不依赖快速开关,因此可以使用较慢的标准三极管,而不需常用于反激式设计中的快速开关MOSFET组件。和MOSFET相比,三极管有较高的截面电流密度,可降低传导损耗,因而可以较低的成本提供较高的系统效率。

图2 在反击式转换器中,开关的重迭是造成低效率的原因,而RDFC采用零电压软件开关来降低这些损耗

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图3所示为一个7 W 的RDFC的电源转换效率对应于负载的曲线,通过与能源之星的规定及典型线性转换器比较,效率超过80%,而系统成本则和线性设计差不多或更低。

图3 剑桥半导体的RDFC拓扑在7W应用中的电源转换效率

峰值功率能力

正激式转换器会在正向周期内(即开关开启且导通时),透过适配器将能量从初级侧(Primary)传递到次级侧(Secondary)。与反激式方案不同,适配器里没有存储能量,这带来两项好处：

·峰值功率能力：非常适用于需要短脉冲功率的应用。

·变压器铁芯尺寸：在反激式电源中,电源从铁芯获得有限的能量,这不利于选择较小尺寸的铁芯。但RDFC则不同,就相同的输出功率而言,RDFC所使用的变压器和现有线性变压器比较,在体积上大为缩小。

先进的模拟和数字控制功能

RDFC电路比反激式设计的整体组件数量更少,而且在设计时间及人力的需求上也降低许多。在RDFC结构中使用的C2470系列混合信号控制器,更进一步简化了电路,也将安全性及保护功能整合至芯片,并同时有模拟和数字控制回路,以确保电源供应操作处于最佳状态。

控制器拥有智能型设计,可以通过检测谐振时间来进行最低电压切换、决定占空比、设定限制电流以及进入待机模式。这5种数字控制模式如图4所示：待机模式、正常模式、过载模式、折返模式 (Foldback Mode) 以及电源突发模式(Power Burst Mode)。

图4 C2470系列混合信号控制器的5中控制模式能在不同运行状态中保持最佳的性能[!--empirenews.page--]

三极管的基极驱动和开关饱和为专利技术,确保控制晶体管的电流受到控制,以降低初级开关晶体管中的开关损耗,优化整体的系统效率,如图5所示。

图5 芯片集成了模拟反馈回路,以便智能的驱动低成本三极管

结语

谐振电源转换器效率非常高,但一直都未能以商业化形式应用在大量的消费性电子市场中。新的混合信号控制器已经可以大量供应,让制造商能以新颖的电源转换结构来设计低成本的开关电源,并取代6W~60W功率范围的线性电源转换器。它们拥有80%以上的电源转换效率,并且在无负载时,电源最低功耗不超过 100mW;在数据表现上比标准且昂贵的反激式更为优越。