有源鉗位正激轉(zhuǎn)換器單開關(guān)電源拓撲

球?qū)δ茉闯杀旧蠞q、環(huán)保和能源可持續(xù)性的關(guān)注正在推動歐盟、美國加州等地的相關(guān)機構(gòu)相繼推出降低電子設(shè)備能耗的規(guī)范。交流輸入電源，不論是獨立式的還是集成在電子設(shè)備中的，都會造成一定的能源浪費。首先，電源的效率不可能是100% 的，部分能量在電源大負載工作時被浪費掉。其次，當(dāng)負載未被使用時，連接交流線的電源會以待機功耗的形式消耗能量。

近年來，對電源效率等級的要求日趨嚴格。最近，80% 以上的效率已成為了基本標準。新倡議的能效標準更是要求效率達到87%及以上。此外，只在滿負載下測量效率的老辦法已被淘汰。目前的新標準涉及了額定負載的25%、50%、75% 和 100% 這四個點的四點平均水平。同樣地，最大允許待機功耗也越來越受到限制，歐盟提議所有設(shè)備的待機功耗均應(yīng)低于500mW，對于我們將討論的電視機，則小于200mW。除專家級的高效率電源設(shè)計領(lǐng)域之外，電子設(shè)備中所用的功率范圍從1W 到 500W的交流輸入電源，一直以來主要采用兩種拓撲：標準 (或硬開關(guān)) 反激式 (flyback) 拓撲，和雙開關(guān)正激拓撲。這兩種拓撲都很易于理解，而它們存在的問題，以及如何予以避免，業(yè)界都已有充分的認識。不過，隨著對效率的要求不斷提高，這兩種拓撲將逐漸為三種新的拓撲所取代：準諧振反激式拓撲、LLC諧振轉(zhuǎn)換器拓撲和不對稱半橋拓撲。準諧振反激式拓撲已被成功用于最低功率級到200W以上的范圍。在70W-100W范圍，LLC諧振轉(zhuǎn)換器比準諧振反激式拓撲更有效。

反激式和 LLC 功率轉(zhuǎn)換拓撲受到了如此多的關(guān)注，我想是時候拜訪一位老朋友了：正向拓撲。它已經(jīng)被廣泛使用了幾十年，并且有充分的理由。很難找到一種單端拓撲在設(shè)計簡單、成本低和效率高方面提供一致的高分。它特別適合需要高輸出電流的中低功率應(yīng)用（小于 300W）。

圖 1：來自TI 電源拓撲電路的基本正向拓撲

與反激式相比，正激轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)勢包括更好的變壓器利用率、更低的峰值電流和濾波輸出。

唉，單開關(guān)正激變換器并非沒有變壓器磁芯飽和、變壓器漏感引起的電壓尖峰、開關(guān)損耗等固有問題。使用電阻-電容-二極管 (RCD) 鉗位來解決變壓器的復(fù)位問題，而有源鉗位正激 (ACF) 使用輔助開關(guān)來代替 RCD 鉗位的二極管和電阻器以減少泄漏。零電壓開關(guān) (ZVS) 技術(shù)用于解決開關(guān)損耗。

我們使用各種方法與所有這些方法試圖改善的兩個主要特性的結(jié)果進行了比較：效率和電壓壓力。圖 2 支持 Leu 的結(jié)論，即 ACF（在圖 1 中稱為 FAC）具有最佳性能，提供最低的應(yīng)力和最高的效率。

圖 2：正激轉(zhuǎn)換器中效率和電壓應(yīng)力的比較

德州儀器 (TI) 有多種 ACF 拓撲可供選擇，如表 1 所示，其中最流行的是LM5025A電壓模式和UCC2897A電流模式。

LM5025A PWM控制器包含使用有源箝位/復(fù)位技術(shù)實現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換器所需的所有功能。與傳統(tǒng)的捕獲繞組或RDC箝位/復(fù)位技術(shù)相比，使用有源箝位技術(shù)可以實現(xiàn)更高的效率和更高的功率密度。提供兩個控制輸出：主電源開關(guān)控制（OUT＿A）和有源箝位開關(guān)控制（OUT＿B）。兩個內(nèi)部復(fù)合柵極驅(qū)動器并聯(lián)MOS和雙極器件，提供優(yōu)越的柵極驅(qū)動特性。該控制器設(shè)計用于高速運行，包括高達1MHz的振蕩器頻率范圍和小于100ns的總PWM和電流檢測傳播延遲。LM5025A包括一個高壓啟動調(diào)節(jié)器，可在13 V至90 V的寬輸入范圍內(nèi)工作。其他功能包括：線路欠壓鎖定（UVLO）、軟啟動、振蕩器上下同步功能、精確參考和熱關(guān)機。

UCC2897A是峰值電流模式固定頻率高性能脈沖寬度調(diào)制器。該控制器包括P通道輔助開關(guān)的邏輯和驅(qū)動能力，以及為正確的有源箝位操作編程臨界延遲的簡單方法。其特點包括一個內(nèi)部可編程斜坡補償電路，精確的D-MAX限制，以及一個帶有內(nèi)部定時電容器的同步振蕩器。精確的線路監(jiān)測功能還可根據(jù)大容量輸入電壓VIN編程轉(zhuǎn)換器的接通和斷開轉(zhuǎn)換。UCC2897A增加了二級hiccup模式電流檢測閾值、雙向同步和輸入過壓保護功能。UCC2897A提供20引腳TSSOP（PW）和20引腳QFN（RGP）封裝。

表 1：德州儀器 ACF 器件

TI 還提供超過 79 種有源鉗位TI Designs 參考設(shè)計供免費下載。例如，非常流行的用于模塊更換的電信總線轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計（帶有研討會材料）是一種 175W 電信 ACF 設(shè)計 (5V@35A)，外形非常小巧，效率高達 95%，傳導(dǎo)損耗比反激式低。

有源鉗位正激轉(zhuǎn)換器具有幾個關(guān)鍵優(yōu)勢，并在所介紹的正激拓撲中提供最佳效率和最低電壓應(yīng)力。向前一點沒關(guān)系：今天開始我們的有源鉗位設(shè)計。