工業(yè)電源必需滿(mǎn)足一些特殊的要求,如低功耗(以減輕機箱冷卻方面的負擔)、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(jiàn)的特性,如易于并聯(lián)、遙控和某些過(guò)載保護功能等。同時(shí),它對EMI和穩定性的要求也比其它應用更為嚴格。本文詳細分析了一個(gè)400W電源的設計實(shí)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,模塊還采用統一的外形尺寸,便于實(shí)現精細緊湊的機械設計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。
功率因數校正級(PFC),加上總線(xiàn)或DC鏈路電容,對于許多無(wú)法單獨優(yōu)化的不同因素來(lái)說(shuō)是十分關(guān)鍵的,F在,大部分電源都采用了有源PFC電路,亦即升壓轉換器,確保輸入電流與輸入電壓同相,使輸入端正弦波失真最小化,從而減小傳導EMI,實(shí)現寬輸入范圍(85VAC ~ 265VAC)。而且,這個(gè)升壓轉換器會(huì )根據輸入電壓調節自己的占空比和輸入電流,并把總線(xiàn)電容的電壓調節到350V ~ 400V。然而,如果升壓轉換器不是有源的(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(xiàn)電容,最終產(chǎn)生很大的浪涌電流。要避免這一問(wèn)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)應用中,由于對保持時(shí)間和節電保護的要求更嚴格,因此總線(xiàn)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。根據DIN-EN 61204標準,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(méi)有有源PFC的電源而言可謂相當棘手。
脈寬調制級(PWM)是主要的轉換器級。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換到另一個(gè)電壓級并提供隔離。并非所有的拓撲都采用占空比變化的方波,有些拓撲采用的是變頻,還有的則是改變兩個(gè)脈沖序列之間的相位。這一級主要確定轉換器的效率和負載調節。轉換器效率十分重要,首先它關(guān)系電源的運行成本;其次是必須通過(guò)機箱冷卻來(lái)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。
轉換器拓撲的選擇對效率和輻射EMI都至關(guān)重要,因為功率開(kāi)關(guān)越傾向于硬開(kāi)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 )導致開(kāi)關(guān)頻率諧波的大量產(chǎn)生。在各種拓撲中,諧振或準諧振拓撲都頗具優(yōu)勢但較難設計,尤其是諧振拓撲,很難在寬泛的負載范圍上實(shí)現。下文中描述的LLC拓撲具有在寬負載范圍內有限的開(kāi)關(guān)頻率變化以及軟開(kāi)關(guān),很容易解決這一問(wèn)題。
PWM級也是所有必須保護功能的核心所在。在電流模式轉換器的情況下,逐周期限流器可保護電源免受大部分輸出問(wèn)題的傷害,這些問(wèn)題通常與熱關(guān)斷有關(guān)。
同步整流級(SR)把變壓器產(chǎn)生的交流電壓轉換回直流電壓。由于電壓很低,電流往往相當高,故整流器的傳導損耗必須最小化。若采用硅PN結二極管可以獲得0.7V的正向電壓,則采用肖特基二極管可達到0.4V。要獲得更低的電壓級就需采用MOSFET,這時(shí)電壓級由導通阻抗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(gè)適當的柵極驅動(dòng)信號來(lái)完成,如果設計良好,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),設計還可以非常緊湊耐用。
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