如何實(shí)現(xiàn)高功率密度的工業(yè)電源

　　工業(yè)電源必需滿足一些特殊的要求，如低功耗（以減輕機(jī)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(shí)，它對(duì)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(gè)400W電源的設(shè)計(jì)實(shí)例，闡釋了初級(jí)端和次級(jí)端電源模塊的運(yùn)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(shí)現(xiàn)精細(xì)緊湊的機(jī)械設(shè)計(jì)并減少安裝和物流成本。事實(shí)上，兩個(gè)模塊可具有不同額定功率，從而大大縮短了上市時(shí)間。

　　功率因數(shù)校正級(jí)(PFC),加上總線或DC鏈路電容，對(duì)于許多無法單獨(dú)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(shí)現(xiàn)寬輸入范圍（85VAC ~ 265VAC）。而且，這個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器會(huì)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(dòng)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(duì)保持時(shí)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(gè)NTC電阻，但在“熱”啟動(dòng)（如停電）時(shí)，NTC仍然很熱，不能提供保護(hù)。根據(jù)DIN-EN 61204標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試方法針對(duì)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(duì)沒有有源PFC的電源而言可謂相當(dāng)棘手。

　　脈寬調(diào)制級(jí)（PWM）是主要的轉(zhuǎn)換器級(jí)。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(gè)電壓級(jí)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(gè)脈沖序列之間的相位。這一級(jí)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(yùn)行成本；其次是必須通過機(jī)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(gè)因素與電源的使用壽命成本關(guān)系重大。

圖1 工業(yè)電源的各個(gè)不同級(jí)及每級(jí)的主要特性

　　轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞倪x擇對(duì)效率和輻射EMI都至關(guān)重要，因?yàn)楣β书_關(guān)越傾向于硬開關(guān)，產(chǎn)生的dI/dt和dV/dt就很大，同時(shí)電流和電壓就越高，這會(huì)導(dǎo)致開關(guān)頻率諧波的大量產(chǎn)生。在各種拓?fù)渲?，諧振或準(zhǔn)諧振拓?fù)涠碱H具優(yōu)勢(shì)但較難設(shè)計(jì)，尤其是諧振拓?fù)?，很難在寬泛的負(fù)載范圍上實(shí)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(jí)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(jí)（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(jí)就需采用MOSFET，這時(shí)電壓級(jí)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?yàn)镸OSFET是有源器件，故需要一個(gè)適當(dāng)?shù)臇艠O驅(qū)動(dòng)信號(hào)來完成，如果設(shè)計(jì)良好，這一級(jí)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(jì)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(shí)后者的次級(jí)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(duì)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(gè)電阻分壓器來感測(cè)和調(diào)節(jié)PFC級(jí)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(gè)額外的保護(hù)器件。

圖2 PFC級(jí)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(shí)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(huì)因PFC中單個(gè)組件的故障造成不安全事件。1A的柵極驅(qū)動(dòng)器又極大降低了對(duì)外部驅(qū)動(dòng)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P(yáng)FC還帶有峰值限流、輸入電壓中斷保護(hù)功能，還有一個(gè)過壓比較器，可在發(fā)生負(fù)載突然減小事件時(shí)關(guān)斷PFC部分。時(shí)鐘輸出信號(hào)可用來同步下游的PWM級(jí)，以減少系統(tǒng)噪聲。[!--empirenews.page--]

　　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(shí)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(shí)導(dǎo)通。對(duì)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(shí)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(duì)帶有PFC前端級(jí)的應(yīng)用來說一般約為400V。對(duì)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L(zhǎng)LC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(shí)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(shí)，電流從兩個(gè)方向流入，如圖4所示。MOSFET在電流流經(jīng)體二極管時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)致“零”電壓開關(guān)。這種方法帶來的一個(gè)額外好處是導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的EMI較低，這是因?yàn)楦遜v/dt和di/dt轉(zhuǎn)換時(shí)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(duì)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(gè)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(huì)采用一個(gè)變壓器。該變壓器執(zhí)行兩項(xiàng)任務(wù)：其一是提供初級(jí)端和次級(jí)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(shí)導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)，需要一定的死區(qū)時(shí)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(shí)間不應(yīng)該超過死區(qū)時(shí)間。若總線電壓為VBUS，開關(guān)時(shí)電流為ISW，有效漏源電容為CDSeff，則電容的充電時(shí)間tSW可由下式計(jì)算出：

　　VBUS由設(shè)計(jì)條件事先確定。如果CDSeff為零，Q2就會(huì)如預(yù)期地實(shí)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(shí)，最終也會(huì)發(fā)生Q2硬開關(guān)。

　　有時(shí)可為每個(gè)MOSFET并聯(lián)一個(gè)電容。如果其容量選擇適當(dāng)，就可以降低關(guān)斷損耗，同時(shí)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(gè)電感串聯(lián)。這樣一來，諧振電路中就有兩個(gè)電感和一個(gè)電容，故名為L(zhǎng)-L-C。圖5顯示了一個(gè)實(shí)例電路的增益特性。

圖5 LLC諧振轉(zhuǎn)換器增益曲線實(shí)例 [!--empirenews.page--]

　　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(gè)電源設(shè)計(jì)中，由PFC級(jí)提供窄輸入電壓范圍，建議采用連續(xù)傳導(dǎo)模式PFC級(jí)。

　　利用PFC級(jí)，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(huì)在115kHz（滿負(fù)載）和130kHz（20%負(fù)載）之間變化，從圖中可看出何時(shí)決定不同負(fù)載下的增益曲線與增益為1.0的線在哪個(gè)頻率下相交。利用前述應(yīng)用中采用的前端PFC級(jí)，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(shí)間要求。

　　同步整流

　　次級(jí)端的同步整流級(jí)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(jí)端上

　　用來調(diào)整次級(jí)電壓的二極管通常由MOSFET代替，該模塊包含了柵極驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)化總體設(shè)計(jì)。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(dòng)器回路的尺寸很小，這又進(jìn)一步減小了EMI輻射，增強(qiáng)了抗干擾能力，尤其是對(duì)漏極上的dv/dt干擾。由于兩個(gè)棘手回路的布局都已在模塊內(nèi)完成，所以對(duì)設(shè)計(jì)人員而言總體設(shè)計(jì)變得較簡(jiǎn)單。

　　圖7解釋了讓柵極驅(qū)動(dòng)器靠近功率MOSFET為什么如此有用。柵極驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(qiáng)大的柵極驅(qū)動(dòng)器，幾乎可以實(shí)現(xiàn)完美的開關(guān)。

圖7 柵極驅(qū)動(dòng)器電路中的寄生阻抗

　　通過分析功率MOSFET上的電壓級(jí)，可以創(chuàng)建柵極驅(qū)動(dòng)器信號(hào)，確定開關(guān)導(dǎo)通的準(zhǔn)確時(shí)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(shí)開關(guān)損耗忽略不計(jì)）。確定正確的功率開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間是非常重要的，這樣就可避免體二極管的傳導(dǎo)，后者會(huì)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(shí)，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(shì)。肖特基二極管的實(shí)際限制在10A左右，超出這個(gè)限值，整流器的功耗會(huì)變得相當(dāng)大，這是因?yàn)檎螂妷涸谀撤N程度上依賴于電流。不過，對(duì)于較高的輸出電壓，肖特基二極管可能更好，因?yàn)殡娏鞲〔⑶覠o需驅(qū)動(dòng)電路。

　　電源系統(tǒng)

　　在歐盟指令下，一種新的電源效率測(cè)量方法已被采用，可在25%、50%、75%和100%的額度輸出功率下對(duì)輸入輸出功率進(jìn)行測(cè)量。利用這種方法，電源效率可達(dá)到93.8%。

圖8 初級(jí)端和次級(jí)端模塊采用相同的尺寸，有利于實(shí)現(xiàn)非常精細(xì)的機(jī)械解決方案