- 為了滿足更新能源標(biāo)準(zhǔn)的需要，電源設(shè)計(jì)采用新拓?fù)?/strong>
- 軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器較諧振轉(zhuǎn)換器更有優(yōu)勢(shì)，其中不對(duì)稱PWM半橋轉(zhuǎn)換器性能更優(yōu)
- 介紹不對(duì)稱半橋轉(zhuǎn)換器的基本工作原理
- 介紹針對(duì)飛兆針對(duì)不對(duì)稱半橋轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的集成式功率開關(guān)
- 介紹飛兆如何采用系統(tǒng)級(jí)封裝解決SMPS設(shè)計(jì)中的可靠性和“綠色”問題
解決方案：
- 軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器與諧振轉(zhuǎn)換器比較有以下優(yōu)勢(shì)：
對(duì)諧振元件的參數(shù)的要求較低
開關(guān)頻率固定，EMI問題更易解決 - FSFA2100把柵極驅(qū)動(dòng)器、控制電路、MOSFET集成在一起，大幅減小終端應(yīng)用噪聲干擾
- FSFA2100在設(shè)計(jì)中整合了多項(xiàng)自我保護(hù)功能，無需額外的元件
- FSFA2100在待機(jī)模式下采用間歇模式工作，很容易滿足國際能源署的1瓦倡議
- FSFA2100提供了一個(gè)非常適合于具成本效益軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的基本平臺(tái)
引言
電源能效對(duì)環(huán)境的影響問題越來越受到世界范圍的關(guān)注，致力于自然資源保護(hù)的全球各國政府和標(biāo)準(zhǔn)化制定機(jī)構(gòu)已相繼推出各項(xiàng)措施，積極推廣高能效電源。加州能源委員會(huì) (CEC) 已針對(duì)外置電源制定了強(qiáng)制性能效標(biāo)準(zhǔn)，全球其它實(shí)施自愿性規(guī)范計(jì)劃的地區(qū)也開始考慮推出強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，以推動(dòng)電源效率的提高。這些規(guī)范都驅(qū)使電源設(shè)計(jì)人員采用新的拓?fù)?，比如諧振轉(zhuǎn)換器和軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器。
諧振開關(guān)技術(shù)在整個(gè)開關(guān)周期內(nèi)都采用諧振工作模式，而軟開關(guān)技術(shù)只在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間才采用諧振工作模式，以軟化開關(guān)器件的開關(guān)特性。一旦開關(guān)轉(zhuǎn)換結(jié)束，轉(zhuǎn)換器又恢復(fù)到常見的脈寬調(diào)制 (PWM) 模式。由于只在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間才涉及到諧振工作模式，因此其諧振元件的參數(shù)不象諧振轉(zhuǎn)換器中的那么重要。此外，開關(guān)頻率是固定的，這使得EMI濾波器的優(yōu)化更為容易。
在各種類型的軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器中，不對(duì)稱PWM半橋轉(zhuǎn)換器因其結(jié)構(gòu)簡單且固有零電壓開關(guān) (ZVS) 能力而獲得設(shè)計(jì)人員的青睞。本文描述了不對(duì)稱半橋轉(zhuǎn)換器的基本工作原理，并介紹了一種相比普通分立式MOSFET及PWM控制器解決方案具有顯著優(yōu)勢(shì)的集成式功率開關(guān)。此外還闡釋了這種專門為軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器而設(shè)計(jì)的功率開關(guān)如何降低設(shè)計(jì)總成本和元件數(shù)目、減小尺寸和重量，同時(shí)提高效率、產(chǎn)能和系統(tǒng)可靠性。
不對(duì)稱半橋轉(zhuǎn)換器的基本工作原理
圖1所示為不對(duì)稱PWM半橋轉(zhuǎn)換器的電路簡圖及其波形。圖2給出了詳細(xì)的開關(guān)波形。當(dāng)上面的開關(guān) (Q2) 導(dǎo)通時(shí)，DC隔直電容 (CB) 不僅是負(fù)載的供電電源，還作為隔直電容防止變壓器飽和。一般而言，不對(duì)稱PWM半橋轉(zhuǎn)換器包含三級(jí)，如圖1所示，即方波發(fā)生器、能量傳送網(wǎng)絡(luò)和整流器網(wǎng)絡(luò)。
方波發(fā)生器通過驅(qū)動(dòng)開關(guān)Q1和Q2產(chǎn)生一個(gè)方波電壓 (Vd)。換言之，下面和上面的MOSFET的占空比應(yīng)該分別為D和1-D。這時(shí)，兩次轉(zhuǎn)換之間一般有一個(gè)很小的死區(qū)時(shí)間。
能量傳送網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)DC隔直電容和一個(gè)變壓器。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)利用DC隔直電容 (CB) 消除方波電壓 (Vd) 的DC偏移，然后通過變壓器把純AC方波電壓傳送到次級(jí)端。由于存在泄漏電感，變壓器初級(jí)端電流Ip滯后于加在變壓器初級(jí)端上的電壓，這就讓MOSFET得以零電壓導(dǎo)通。如圖2所示，在其中一個(gè)開關(guān)斷開之后，Ip對(duì)MOSFET輸出電容進(jìn)行充電 (或放電)，最終開關(guān)電壓從一個(gè)輸入電軌變化到另一個(gè) (從Vin到地或從地到Vin)。接著，Ip繼續(xù)流經(jīng)反向并聯(lián)的體二極管。只要體二極管導(dǎo)通，相應(yīng)的MOSFET就能夠零電壓導(dǎo)通。這種軟開關(guān)方案不僅可降低開關(guān)損耗，還能減小電磁干擾 (EMI)。
整流器網(wǎng)絡(luò)利用整流二極管和低通LC濾波器對(duì)AC電壓進(jìn)行整流，最后產(chǎn)生DC電壓。這個(gè)整流器網(wǎng)絡(luò)可采用全波的橋式結(jié)構(gòu)或中心抽頭式結(jié)構(gòu)。
方波發(fā)生器 能量傳送網(wǎng)絡(luò) 整流器網(wǎng)絡(luò)
圖1. 不對(duì)稱PWM半橋轉(zhuǎn)換器電路簡圖及其波形
圖2. 不對(duì)稱半橋轉(zhuǎn)換器的詳細(xì)開關(guān)波形
針對(duì)不對(duì)稱半橋轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的集成式功率開關(guān)
飛兆半導(dǎo)體的集成式“Green FPS”功率開關(guān)FSFA2100系列是專門針對(duì)不對(duì)稱半橋轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)而開發(fā)的一種技術(shù)。這種技術(shù)在單個(gè)器件中整合了PWM控制器、高端驅(qū)動(dòng)和SuperFET，只需要極少數(shù)量的外部元件。圖3所示為其內(nèi)部模塊示意圖。在大功率轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，PCB版圖設(shè)計(jì)一向是棘手部分，因?yàn)樵诓季謺r(shí)，為了把噪聲干擾降至最低，必需讓柵極驅(qū)動(dòng)器和控制電路盡可能地靠近MOSFET。FSFA2100把柵極驅(qū)動(dòng)器及控制電路與MOSFET集成在一起，使這些器件之間的距離最小化，從而大幅減小了終端應(yīng)用的噪聲干擾。此外，這樣做也減少了寶貴的設(shè)計(jì)時(shí)間，使生產(chǎn)力得以提高。
圖3 內(nèi)部模塊示意圖
采用系統(tǒng)級(jí)封裝解決SMPS設(shè)計(jì)中的可靠性和“綠色”問題
今天，大多數(shù)電子廠商都要求SMPS設(shè)計(jì)具有高度可靠性，這促使電源設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中采用保護(hù)方案來防范各種故障的發(fā)生，比如過載、過壓、輸出短路、輸出二極管短路和過熱。不過，這種保護(hù)可能需要大量額外的電路，從而增加成本。而FSFA2100在設(shè)計(jì)中整合了多項(xiàng)自我保護(hù)功能，無需額外的元件，故不僅可增強(qiáng)可靠性還能降低成本。
軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)問題是，輕載時(shí)，由于初級(jí)端電流不足以完成MOSFET輸出電容的充電/放電，可能無法實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。這樣一來，在SMPS必須滿足要求低待機(jī)功耗的功效或“綠色”標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，問題就出現(xiàn)了。
FSFA2100在待機(jī)模式下采用間歇模式工作，很容易滿足國際能源署 (IEA) 的1瓦倡議。該規(guī)范要求把待機(jī)功耗降至1瓦以下。在間歇模式中，功率開關(guān)能夠交替啟動(dòng)和禁止開關(guān)工作，以降低有效開關(guān)頻率，這種方法可減小MOSFET中的開關(guān)損耗和變壓器中的滯徊損耗。
小結(jié)
由于在SMPS中采用軟開關(guān)拓?fù)淠軌蛱岣咝始敖档虴MI，設(shè)計(jì)人員在自己的電源設(shè)計(jì)中開始不斷采用這種新興方案。傳統(tǒng)上，設(shè)計(jì)人員使用分立元件加控制器的解決方案來實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。但現(xiàn)在，集成了SuperFET和PWM IC的功率開關(guān)可以提供一個(gè)非常適合于具成本效益軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的基本平臺(tái)。通過集成保護(hù)功能并采用間歇工作模式，功率開關(guān)技術(shù)可大大提高可靠性，同時(shí)又降低功耗，滿足“綠色”標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求。
