简化离线式开关电源的设计

与传统的线性电源相比,开关电源具有许多优点。在通常情况下,假如只要一个直流输出,采用一个变压器、整流器和滤波电容就可构成线性电源。有时,可采用一个线性稳压器供应稳压输出。这种系统的重要优点是简单,所以成本通常较低。而开关电源通常结构复杂、价格昂贵,所以线性电源获得了广泛应用。表1列出了两种系统的优点和缺点。

表1线性与开关电源比较

线性电源开关模式电源通常成本很低成本有低有高噪声低可达到低噪声,但会新增复杂度结构简单结构复杂重量重,体积大重量轻,体积小效率低效率高固定输入电压通用输入电压

开关电源电路有许多种,但最常见的是反激式转换器,其原理如图1所示,电源输入首先经过整流,然后滤波,接下来经过变压器和初级开关,以及初级控制器;这个控制器根据反馈信号来改变开关的占空比,反馈信号是由次级反馈而来。尽管可采用电感器,但所示设计采用的是未隔离的变压器。隔离设计在离线设备中更为常见,在离线设备中,变压器具有隔离用途,可方便地实现占空比调整。反激式开关电源可在非持续导通和持续导通两种模式下工作,不持续导通模式如图2所示。Ilm和Vlm是变压器磁化电感通过的电流和施加的电压。表2开关电源的两种导通模式

持续导通模式非持续导通模式峰值电流较小,开关损耗较低峰值电流较大,开关损耗较峰值电流较小,变压器损耗较低峰值电流较大,变压器损耗较所需电感较大,缓冲损耗较高所需电感较小,缓冲损耗较低次边要快速恢复二极管不要快速恢复二极管

当开关闭合时,电压施加在变压器初级的两端,因为此时次级二极管是截止的,变压器所起的用途就像电感器。经过初级线圈的电流会上升,同时能量储存在磁通量中。当开关断开时,次级二极管导通,电流通过次级时会下降,因为能量被转换至次边大容量电容器。假如电流经过磁化电感区后降至零,这是不持续导通模式。假如磁化电流未降至零,如图3所示,则系统以持续导通模式工作。表2列出了两种模式的优缺点。两种模式各有其优缺点,可根据设计要求进行选择。可以选择大负载的持续模式设计,或选择小负载的非持续模式设计。有电压和电流两种控制模式,在电压模式中,次边电压被反馈,直接控制工作循环;而在电流模式中,次边电压被反馈,控制最大的开关电流,即控制IC的pWM部分使开关闭合,当电流达到反馈设定的极限时,开关就断开。

控制器的选择过去,大多数SMpS系统采用分立控制器IC和用场效应晶体管(FET)作为开关,现在可以采用集成控制器,这些集成器件针对各种功率级别和应用进行了优化,通常可分为双芯片式和单芯片式两类。双芯片式包括控制器芯片和MOSFET芯片,而单芯片式仅有一个芯片,一般采用BCDMOS工艺制造。采用BCDMOS工艺制造高压功率MOSFET器件,它的局限性多于采用优化MOSFET工艺制造的器件。通常,采用BCDMOS工艺制造的芯片的单位面积RDS(on)值会高出许多。然而,单芯片解决方法的成本较低,在低功率应用领域具有优势。因此,一般是为高功率应用选择双芯片方法,而为低功率应用选择单芯片方法,高低功率的分界点在15至20W左右,飞兆半导体有供应两种类型的功率开关。

应用实例图4所示为采用KA5M0365R的通用开关模式电源的电路图,KA5M0365R是双芯片器件。电源的输入电压为85～265VAC,开关频率为66kHz,输出为3.3V、1.2A,5V、1.5A,9V、0.5A和33V、0.1A。内部MOSFET的额定值为3A和650V,但不是简单的MOSFET,而是SenseFET,其源极面积约有1%被隔离出来,形成次感应源极。漏极电流的1%来自感应源极,它流经集成电阻器,便于准确地测量电流值,不存在与外部电流采样电阻器相关的损耗。自线路输入端开始,首先是一个用于抑制EMI的滤波器,接下来是桥型整流器、NTC电阻器和滤波电容器。NTC电阻器用于防止开关闭合时的电流浪涌。在第一次接通电源时,FpS以旁路模式工作,吸收极少的电流,Vcc电容器被充电,一旦达到电压锁定阈值15V范围的上限,该器件就开始开关,它的电流需求新增,Vcc电压开始下降。然而,假定Vcc电容器足够大,Vcc电压仍保持在电压锁定阈值范围的较低水平,在正常运作期间,第三线圈开始供电。缓冲网络(SnubberNetwork)连接在变压器初级的两端,以确保变压器泄漏电感引起的尖峰信号,不会造成开关漏极电压超过其击穿电压。假如超过击穿电压,器件会发生雪崩,由于它具有一定的雪崩额定值,这样仅仅多消耗一点功率,不需配置昂贵的齐纳缓冲器。有四个次级线圈供应四路电压输出,通过一个光耦,由431型电压参考器供应反馈信号。

保护功能所有的离线式电源必须达到一定的安全标准,图4所示的设计具有良好的保护功能,得益于控制器具有的过载保护、过压保护、过流保护、欠压保护和过热保护特性。假如电源超负载但未短路,输出电压将会降低,反馈电压上升,占空比新增以进行补偿。然而,因为初边电流有限,可转换的最大功率也是有限的,因此反馈电压将继续上升。一旦它达到阈值,器件的开关动作就会停止。过载保护可延时以防止负载瞬变导致的错误触发。假如在反馈回路中出现开路故障,反馈引脚电压将上升,导致工作循环新增,输出电压也将上升,Vcc引脚电压同样也上升,一旦Vcc电压达到保护阈值,设备就关闭,以防止损害次级。假如在反馈回路中出现短路故障,反馈引脚将接地,器件的开关动作也会停止。假如次级整流器发生短路,或负载短路,在开关闭合之后,立即有大电流流经开关,从而造成损害。因此,器件会测量在开关闭合后极短时间内的电流,假如电流值比阈值高,器件会停止运转。假如器件试着自动重新启动,保护功能会锁死开关动作以防止重复的应力。另外,器件具有前沿屏蔽功能。

针对特定应用的改进低功率电源常常是备用、辅助电源,或用于内务处理,FSDH0165或FSDH565等单芯片器件适用于此类电源,芯片集成了控制器和SenseFET。由于器件采用BCDMOS技术制造,不存在起动电阻器。有可能将高压整流电源直接连接到器件上,其起动与双芯片器件相似,然而,差别是该器件用内部电流源为Vcc电容器充电,一旦Vcc引脚电压达到阈值电压,器件起动,电流源从内部断开,因此在正常运作期间,不从电路中直接吸取能量,因而效率提高。关于较高功率电源,可采用图5所示的系统,它与先前的系统很相似,但它以准谐振模式工作,Lm不是一个单独的元件,而是变压器的一部分。在这种模式下,开关频率与输入电压和负载水平无关,在低输入电压和大负载的情况下,频率降低,而在高输入电压和小负载的情况下,开关频率升高。在最大输入电压下,所需频率不应超过最高开关频率150kHz,因此施加的负载应有所限制。准谐振模式的优点是EMI较低和效率较高。这里未出现先前所用的传统RCD(电阻器电容器二极管)缓冲器,作为替代,采用一个与开关并联的小型电容器,电源开关配有一个额外的同步引脚,用于开通SenseFET。在次级二极管截止之前,其工作与非持续电流反激方式基本相同。在初级二极管截止后,开关管漏极开始振铃动作,频率由串联的电容器和初级电感量所决定。同步引脚电压开始下降,当电压超过阈值时,开关再次闭合。选择合适的同步引脚元件,使得漏极电压达到最小值时,同步电压达到阈值。该系统为软开关型,具有很小的EMI,因为漏极电压很小,开关损耗也降至最低。但这里忽略了功率因数校正问题,因为在欧洲已经要求所有功耗超过75W的设备需进行功率因数校正。有几种方法可实现功率因数校正,从简单的无源解决方法到较复杂和性能较好的有源解决方法。飞兆半导体的ML4803采用小型8引脚封装,集成了pFC和pWMSMpS控制器,在技术和成本具有相当的优势。现在已经有多种适合不同应用和功率范围的器件,使离线式开关电源的设计变得更为简单。