電源設(shè)計(jì)注意事項(xiàng):如何提高開(kāi)關(guān)效率
發(fā)布時(shí)間:2020-11-02 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】能源效率在電源設(shè)計(jì)中一直扮演著非常重要的角色。低效率的電源,以及不可忽略的功率損耗,會(huì)給系統(tǒng)和最終用戶(hù)帶來(lái)額外的成本。我們不要忘記,對(duì)更高效率水平的追求已經(jīng)導(dǎo)致了從線性調(diào)節(jié)器到更高效的開(kāi)關(guān)技術(shù)的轉(zhuǎn)變,特別是在電力應(yīng)用中?,F(xiàn)在讓我們?cè)敿?xì)了解一些可以提高開(kāi)關(guān)電源(SMPS)效率的技術(shù)。
主動(dòng)糾偏
同步整流器,也稱(chēng)為有源整流器,用于提高二極管整流電路的效率,二極管整流電路通常存在于開(kāi)關(guān)電源中。通常的半導(dǎo)體二極管被有源元件取代,通常是BJT或MOSFET功率晶體管,它們被制成開(kāi)關(guān)頻率,以允許將交流輸入電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。這些整流電路稱(chēng)為同步電路,因?yàn)殚_(kāi)關(guān)必須與輸入波形同步。同步整流(SR)技術(shù)可以提高效率、熱管理、功率密度和可靠性,降低電源的總體成本。圖1的上半部分顯示了帶整流二極管的buck變換器的經(jīng)典方案,而在同一圖的下半部分,肖特基二極管被MOSFET晶體管取代。有源整流器的優(yōu)點(diǎn)是它的傳導(dǎo)電阻和壓降比二極管低得多。MOSFET晶體管是二極管的理想替代品,因?yàn)樗鼈兊腞DS(on)非常低,低至幾十毫歐姆或更小。因此,這個(gè)電阻上的電壓降比二極管上的要低得多。SR技術(shù)的缺點(diǎn)是它需要一個(gè)能夠確保MOSFET開(kāi)關(guān)和輸入波形之間同步的控制電路。
圖1:SR技術(shù)的應(yīng)用示例
緩沖器和鉗位
該緩沖電路具有減小電壓尖峰幅度和降低電壓變化率(dV/dt)的功能。其效果是減少開(kāi)關(guān)損耗和射頻發(fā)射。鉗位執(zhí)行的功能要簡(jiǎn)單得多;也就是說(shuō),它只是降低電壓尖峰的振幅,而不利于發(fā)射電磁波。在圖2中,我們可以看到典型的鉗位和緩沖電路的例子,而圖3顯示了它們對(duì)波形(電壓)產(chǎn)生的影響,其特征是波紋加劇。
圖2:鉗位和緩沖電路示例
圖3:緩沖器和鉗位產(chǎn)生的效應(yīng)
有源鉗位電路
反激變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉,但由于開(kāi)關(guān)晶體管所承受的高壓應(yīng)力,其在低功率應(yīng)用(小于100w)中的應(yīng)用受到限制。當(dāng)開(kāi)關(guān)接通時(shí),反激變換器將能量?jī)?chǔ)存在變壓器的初級(jí)繞組中。在“關(guān)閉”期間,能量被傳輸?shù)蕉?jí),然后從那里傳輸?shù)捷敵?。電流在一次繞組和二次繞組中同時(shí)流動(dòng),但決不會(huì)同時(shí)在兩個(gè)繞組中流動(dòng)。圖4顯示了一個(gè)反激式變換器的結(jié)構(gòu),其有源箝位電路由晶體管和電容器組成。與傳統(tǒng)的阻容二極管(RCD)相比,有源鉗位可以在固定的開(kāi)關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)晶體管的零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS),提高了效率和EMI。
圖4:反激變換器中的有源鉗位電路
準(zhǔn)諧振電路
將準(zhǔn)諧振拓?fù)鋺?yīng)用于開(kāi)關(guān)電源中,以減少或消除頻率相關(guān)開(kāi)關(guān)損耗,從而提高效率,降低器件的工作溫度。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是在低功耗下產(chǎn)生更高的損耗,這一缺點(diǎn)被幾乎所有現(xiàn)代電源中存在的頻率鉗位電路所消除。準(zhǔn)諧振變換器通常包含L-C網(wǎng)絡(luò),其電壓和電流在開(kāi)關(guān)期間呈正弦變化。現(xiàn)在考慮經(jīng)典的buck轉(zhuǎn)換器方案,如圖5所示。為了方便起見(jiàn),包含MOSFET晶體管的開(kāi)關(guān)電路已用“開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)”塊表示。
圖5:一個(gè)典型的buck轉(zhuǎn)換器的示意圖
在圖6中,我們可以觀察到“交換網(wǎng)絡(luò)”塊的兩種不同配置。第一種對(duì)應(yīng)于由PWM信號(hào)控制的傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)。另一方面,另一方面,由于L-C網(wǎng)絡(luò)的引入,電路增加了準(zhǔn)諧振功能。零電流開(kāi)關(guān)是這些變換器的主要優(yōu)點(diǎn)之一,因?yàn)樗梢詼p少開(kāi)關(guān)損耗。此外,準(zhǔn)諧振變換器能夠在比類(lèi)似的PWM變換器更高的頻率下工作。
圖6:準(zhǔn)諧振buck變換器
功率因數(shù)校正
功率因數(shù)(PF)定義為實(shí)際功率與視在功率之間的比率。在離線電源(即直接連接到交流電源的電源)中,電流和電壓都是正弦的。因此,PF由輸入電流和輸入電壓之間相位角的余弦給出,是電流對(duì)負(fù)載實(shí)際可用功率的貢獻(xiàn)程度的指標(biāo)。例如,PF等于1表示100%的電流為負(fù)載供電。國(guó)際法規(guī)對(duì)由電源電壓供電的許多設(shè)備(如電視電源、照明用電子鎮(zhèn)流器和電機(jī)控制電路)的輸入電流中的諧波含量進(jìn)行了限制。設(shè)計(jì)合理的PFC級(jí)可確保電流始終與交流輸入電壓相一致。圖7顯示了三種不同的主動(dòng)PFC拓?fù)?。最便宜的PFC解決方案無(wú)疑是boost拓?fù)洌鴅uck-boost PFC解決方案能夠提供輸出隔離和可調(diào)輸出電壓。在三種方案中,buck拓?fù)涮峁┝俗畹偷腜FC。
圖7:有源PFC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
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