工業(yè)電源必需滿足一些特殊的要求，如低功耗（以減輕機箱冷卻方面的負(fù)擔(dān)）,、高功率密度（以減小空間要求）,、高可靠性和高耐用性，以及其它在普通電源中不常見的特性,，如易于并聯(lián),、遙控和某些過載保護(hù)功能等。同時,，它對EMI和穩(wěn)定性的要求也比其它應(yīng)用更為嚴(yán)格,。本文詳細(xì)分析了一個400W電源的設(shè)計實例，闡釋了初級端和次級端電源模塊的運用，以及其它提高性能的方法,。除了在電氣方面的改進(jìn)外,，模塊還采用統(tǒng)一的外形尺寸，便于實現(xiàn)精細(xì)緊湊的機械設(shè)計并減少安裝和物流成本,。事實上,，兩個模塊可具有不同額定功率，從而大大縮短了上市時間,。
功率因數(shù)校正級(PFC),加上總線或DC鏈路電容,，對于許多無法單獨優(yōu)化的不同因素來說是十分關(guān)鍵的。現(xiàn)在,，大部分電源都采用了有源PFC電路,，亦即升壓轉(zhuǎn)換器，確保輸入電流與輸入電壓同相,，使輸入端的正弦波失真最小化,，從而減小傳導(dǎo)EMI，實現(xiàn)寬輸入范圍（85VAC ~ 265VAC）,。而且,，這個升壓轉(zhuǎn)換器會根據(jù)輸入電壓調(diào)節(jié)自己的占空比和輸入電流，并把總線電容的電壓調(diào)節(jié)到350V ~ 400V,。然而,，如果升壓轉(zhuǎn)換器不是有源的（例如在啟動狀態(tài)），電流可能流經(jīng)輸入整流器,，進(jìn)入升壓電感和二極管,，再到空的總線電容，最終產(chǎn)生很大的浪涌電流,。要避免這一問題,，需要額外的限流電路，否則可能觸發(fā)電網(wǎng)熔絲,。在高可靠性或關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用中,，由于對保持時間和節(jié)電保護(hù)的要求更嚴(yán)格，因此總線電容必須增大,，這使得浪涌電流變得更大,。在某些情況下，需要一個NTC電阻,，但在“熱”啟動（如停電）時,，NTC仍然很熱，不能提供保護(hù),。根據(jù)DIN-EN 61204標(biāo)準(zhǔn),，測試方法針對兩種情況：70%的額定輸入電壓,，20ms；以及40%的額定輸入電壓,，100mS,。第二種情況對沒有有源PFC的電源而言可謂相當(dāng)棘手。
脈寬調(diào)制級（PWM）是主要的轉(zhuǎn)換器級,。其中DC電壓被斬波為更高頻率的方波,，因此利用更小的變壓器就可以轉(zhuǎn)換到另一個電壓級并提供隔離。并非所有的拓?fù)涠疾捎谜伎毡茸兓姆讲?，有些拓?fù)洳捎玫氖亲冾l,，還有的則是改變兩個脈沖序列之間的相位,。這一級主要確定轉(zhuǎn)換器的效率和負(fù)載調(diào)節(jié),。轉(zhuǎn)換器效率十分重要，首先它關(guān)系電源的運行成本,；其次是必須通過機箱冷卻來散除產(chǎn)生的熱量,；第三是熱組件越大，就越昂貴,，占用空間也越大,。這三個因素與電源的使用壽命成本關(guān)系重大。
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圖1 工業(yè)電源的各個不同級及每級的主要特性
轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞倪x擇對效率和輻射EMI都至關(guān)重要,，因為功率開關(guān)越傾向于硬開關(guān),，產(chǎn)生的dI/dt和dV/dt就很大，同時電流和電壓就越高,，這會導(dǎo)致開關(guān)頻率諧波的大量產(chǎn)生,。在各種拓?fù)渲校C振或準(zhǔn)諧振拓?fù)涠碱H具優(yōu)勢但較難設(shè)計,，尤其是諧振拓?fù)?，很難在寬泛的負(fù)載范圍上實現(xiàn)。下文中描述的LLC拓?fù)渚哂性趯捸?fù)載范圍內(nèi)有限的開關(guān)頻率變化以及軟開關(guān),，很容易解決這一問題,。
PWM級也是所有必須保護(hù)功能的核心所在。在電流模式轉(zhuǎn)換器的情況下,，逐周期限流器可保護(hù)電源免受大部分輸出問題的傷害,，這些問題通常與熱關(guān)斷有關(guān)。
同步整流級（SR）把變壓器產(chǎn)生的交流電壓轉(zhuǎn)換回直流電壓,。由于電壓很低,，電流往往相當(dāng)高，故整流器的傳導(dǎo)損耗必須最小化,。若采用硅PN結(jié)二極管可以獲得0.7V的正向電壓,，則采用肖特基二極管可達(dá)到0.4V,。要獲得更低的電壓級就需采用MOSFET，這時電壓級由導(dǎo)通阻抗RDS(ON) 和輸出電流決定,，且比前兩種情況要低得多,。但因為MOSFET是有源器件，故需要一個適當(dāng)?shù)臇艠O驅(qū)動信號來完成,，如果設(shè)計良好,，這一級的功耗可大幅度減小，從而進(jìn)一步提高效率,。此外,，利用先進(jìn)的低電感封裝技術(shù)，設(shè)計還可以非常緊湊耐用,。
連續(xù)傳導(dǎo)模式(CCM)功率因數(shù)校正
輸入整流器（圖2中沒有EMI濾波器）產(chǎn)生的輸入電壓被饋入到PFC電感中,，此時后者的次級線圈為PFC控制IC提供供電電壓。電感前面的電阻/電容網(wǎng)絡(luò)可對輸入電壓進(jìn)行采樣,。電感之后是帶柵極保護(hù)電路的電源開關(guān),，PFC整流器為StealthTM 二極管。接下來使用一個電阻分壓器來感測和調(diào)節(jié)PFC級的輸出電壓,，反饋回路至此結(jié)束,。總線電容也如圖2所示,，而二極管D1是一個額外的保護(hù)器件,。
圖2 PFC級的原理示意圖
這里采用的控制器是FAN4810，該器件包含了先進(jìn)的平均電流“升壓”型功率因數(shù)校正實現(xiàn)電路,，電源因此能夠完全滿足IEC1000-3-2規(guī)范的要求,。它還包含了TriFault Detect功能，有利于確保不會因PFC中單個組件的故障造成不安全事件,。1A的柵極驅(qū)動器又極大降低了對外部驅(qū)動器電路的需求,。此外，它的功率要求很低,，既提高了效率也降低了組件成本,。該PFC還帶有峰值限流、輸入電壓中斷保護(hù)功能,，還有一個過壓比較器,，可在發(fā)生負(fù)載突然減小事件時關(guān)斷PFC部分。時鐘輸出信號可用來同步下游的PWM級,，以減少系統(tǒng)噪聲,。
圖3中，綠色曲線的較厚區(qū)域代表電流紋波,，PFC IC在峰值輸入電壓下消耗電流較多,，過零時沒有電流,。粉色曲線代表整流器輸入電壓，藍(lán)色曲線為輸出電壓,。
圖3 CCM PFC的行為
LLC拓?fù)?/p>
提高電源效率的方法之一是采用零電壓開關(guān)拓?fù)?。在這種拓?fù)渲校娐分械碾娫撮_關(guān)在電壓極低時導(dǎo)通,。對于鉗位感應(yīng)開關(guān)MOSFET,，導(dǎo)通損耗PON LOSS可由下式粗略求得：
IL為流經(jīng)MOSFET的負(fù)載電流，VDS(SW)為MOSFET導(dǎo)通前的漏源電壓,，tON為導(dǎo)通時間,，而fSW 則為開關(guān)頻率。
在硬開關(guān)拓?fù)渲?，VDS(SW)是總線電壓,，對帶有PFC前端級的應(yīng)用來說一般約為400V。對于零電壓開關(guān),，該電壓被降至MOSFET二極管的正向電壓降,，在1V左右,，從而極大地減小了導(dǎo)通開關(guān)損耗,。
圖4所示為LLC諧振轉(zhuǎn)換器的模塊示意圖。其核心組件是諧振網(wǎng)絡(luò),，在輸入端電壓波形和流入輸入端的電流之間產(chǎn)生相位滯后,，加載在輸入端的電壓波形是方波，利用半橋或全橋電路很容易就可以從PFC輸出電壓中產(chǎn)生,。
圖4 LLC諧振轉(zhuǎn)換器模塊示意圖和零電壓開關(guān)波形
如果忽略橋式電路中死區(qū)時間效應(yīng)以及更高階諧波的出現(xiàn),，那么流入諧振網(wǎng)絡(luò)的電流可近似表示為正弦波。由于流入諧振電路的電流滯后于電壓基波,，當(dāng)MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)時,，電流從兩個方向流入，如圖4所示,。MOSFET在電流流經(jīng)體二極管時導(dǎo)通,，導(dǎo)致“零”電壓開關(guān)。這種方法帶來的一個額外好處是導(dǎo)通時產(chǎn)生的EMI較低,，這是因為高dv/dt和di/dt轉(zhuǎn)換時間要短得多,，而且通常沒有標(biāo)準(zhǔn)硬開關(guān)應(yīng)用中不可避免的反向恢復(fù)效應(yīng)。
由于諧振電路的輸出是周期性的,，因此需要對之進(jìn)行整流,。這可以采用如圖4所示的全波整流器或一個帶中心抽頭（centre-tap）的整流器來完成。
最后,，AC-DC電源中的諧振網(wǎng)絡(luò)基本上都會采用一個變壓器,。該變壓器執(zhí)行兩項任務(wù)：其一是提供初級端和次級端之間必需的安全隔離,；其二是通過它的匝數(shù)比控制電源的總體電壓轉(zhuǎn)換比率。
為了避免Q1和Q2同時導(dǎo)通的風(fēng)險,，需要一定的死區(qū)時間,。以Q1的關(guān)斷波形為例。流經(jīng)開關(guān)的電流很大,，接近峰值電流,。關(guān)斷期間的電壓擺幅為滿總線電壓，因此關(guān)斷步驟是無損耗的,。
要確保Q2的零電壓開關(guān),，Q1的漏源電容完全充電十分重要，這意味著充電時間不應(yīng)該超過死區(qū)時間,。若總線電壓為VBUS,，開關(guān)時電流為ISW，有效漏源電容為CDSeff,，則電容的充電時間tSW可由下式計算出：
VBUS由設(shè)計條件事先確定,。如果CDSeff為零，Q2就會如預(yù)期地實現(xiàn)零電壓開關(guān),。如果CDSeff非常大,，Q2為硬開關(guān)工作。輕載下ISW很小,，當(dāng)負(fù)載足夠小時,，最終也會發(fā)生Q2硬開關(guān)。
有時可為每個MOSFET并聯(lián)一個電容,。如果其容量選擇適當(dāng),，就可以降低關(guān)斷損耗，同時又不影響較輕負(fù)載下的零電壓開關(guān)性能,。
LLC諧振轉(zhuǎn)換器是讓諧振轉(zhuǎn)換器與一個電感串聯(lián),。這樣一來，諧振電路中就有兩個電感和一個電容,，故名為L-L-C,。圖5顯示了一個實例電路的增益特性。
圖5 LLC諧振轉(zhuǎn)換器增益曲線實例
在工作區(qū)域,，電壓增益首先隨著頻率的增加而降低,，這確保了零電壓開關(guān)所需的相位滯后?？刂齐娐吠ㄟ^改變頻率來改變系統(tǒng)增益,。最小增益和最大增益之間的差距相當(dāng)小，因此諧振轉(zhuǎn)換器需要很窄的DC電壓輸入范圍,。在這個電源設(shè)計中,，由PFC級提供窄輸入電壓范圍,，建議采用連續(xù)傳導(dǎo)模式PFC級。
利用PFC級,，LLC轉(zhuǎn)換器的輸入可設(shè)置在400V左右,。如果所需輸出電壓為12V、匝數(shù)比為40:1,，則額定負(fù)載下需要1.2的DC增益,。無論負(fù)載情況如何，頻率始終不變,。
為便于說明,，假設(shè)輸入電壓提高到480V，則控制電路需把增益降至1.0,，以保持12V的輸出電壓,。在這種情況下，頻率會在115kHz（滿負(fù)載）和130kHz（20%負(fù)載）之間變化,，從圖中可看出何時決定不同負(fù)載下的增益曲線與增益為1.0的線在哪個頻率下相交,。利用前述應(yīng)用中采用的前端PFC級，在缺輸入半波的情況下需要一些額外的增益,，即所謂的“保持”時間要求,。
同步整流
次級端的同步整流級是利用新的FPP06R001模塊來構(gòu)建的，如圖6所示,。
圖6 同步整流器模塊如何連接在變壓器的次級端上
用來調(diào)整次級電壓的二極管通常由MOSFET代替,，該模塊包含了柵極驅(qū)動器和功率MOSFET，采用外引腳極寬的小型單列直插封裝,，可減小寄生電感和電阻。
利用模塊來代替分立式組件可以提高效率,、減小EMI并簡化總體設(shè)計,。模塊中MOSFET的RDS(ON)比分立式解決方案中的小10%，總體封裝阻抗小16%,，振鈴因此減少,，從而減小了EMI。柵極驅(qū)動器回路的尺寸很小,，這又進(jìn)一步減小了EMI輻射,，增強了抗干擾能力，尤其是對漏極上的dv/dt干擾,。由于兩個棘手回路的布局都已在模塊內(nèi)完成,，所以對設(shè)計人員而言總體設(shè)計變得較簡單。
圖7解釋了讓柵極驅(qū)動器靠近功率MOSFET為什么如此有用,。柵極驅(qū)動器的非零輸出阻抗ZDRV 必須通過寄生阻抗Zstray1和Zstray2,，以及柵極阻抗Rg來控制MOSFET,，尤其是關(guān)斷。這時,，漏極上的高dV/dt加上柵極路徑上的高阻抗,，可能引起MOSFET的寄生導(dǎo)通。而利用極短的連線和功能強大的柵極驅(qū)動器,，幾乎可以實現(xiàn)完美的開關(guān),。
圖7 柵極驅(qū)動器電路中的寄生阻抗
通過分析功率MOSFET上的電壓級，可以創(chuàng)建柵極驅(qū)動器信號,，確定開關(guān)導(dǎo)通的準(zhǔn)確時序,。一旦完全導(dǎo)通，開關(guān)上的電壓降可利用公式RDSON×IOUT 算出,，因此RDSON越低,，電壓降就越低，功耗也越低（這時開關(guān)損耗忽略不計）,。確定正確的功率開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷時間是非常重要的,，這樣就可避免體二極管的傳導(dǎo)，后者會造成電流換向,，最終增大電壓降,。
下表比較了在輸出功率為400W（24V，17A）,、結(jié)溫為100℃時,，采用不同整流器獲得的結(jié)果：
有意思的是，輸出整流器的功耗只與輸出電流有關(guān),，而與輸出電壓無關(guān),。輸出電流越高，同步整流解決方案就越有優(yōu)勢,。肖特基二極管的實際限制在10A左右,，超出這個限值，整流器的功耗會變得相當(dāng)大,，這是因為正向電壓在某種程度上依賴于電流,。不過，對于較高的輸出電壓,，肖特基二極管可能更好,，因為電流更小并且無需驅(qū)動電路。
電源系統(tǒng)
在歐盟指令下,，一種新的電源效率測量方法已被采用,，可在25%、50%、75%和100%的額度輸出功率下對輸入輸出功率進(jìn)行測量,。利用這種方法,，電源效率可達(dá)到93.8%。
圖8 初級端和次級端模塊采用相同的尺寸,，有利于實現(xiàn)非常精細(xì)的機械解決方案