- 反激式轉(zhuǎn)換器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法
- TOPSwitch-HX控制器具體應(yīng)用
- 使用TOPSwitch-HX控制器對(duì)電能轉(zhuǎn)換多模式控制
- 以132kHz頻率進(jìn)行開關(guān)降低損耗
- 調(diào)整MOSFET導(dǎo)通時(shí)間來控制輸出電壓
本文介紹反激式轉(zhuǎn)換器的一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，它通過先進(jìn)的控制技術(shù)來提升所有功率水平的效率，并實(shí)現(xiàn)超低空載功耗。這種設(shè)計(jì)方法可使制造商以與標(biāo)準(zhǔn)“磚塊式”筆記本適配器相當(dāng)?shù)某杀旧a(chǎn)出超薄筆記本適配器，同時(shí)這些超薄筆記本適配器的性能還超出了能源之星EPSv2.0的功率效率要求和其它全球性能效標(biāo)準(zhǔn)。
圖1：典型的反激式轉(zhuǎn)換器電路簡(jiǎn)圖
TOPSwitch-HX在單個(gè)IC封裝中集成了一個(gè)700VMOSFET、MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)和一個(gè)用戶可選擇限流點(diǎn)的PWM控制器。在使能狀態(tài)下，控制器的振蕩器在每個(gè)時(shí)鐘周期開始時(shí)導(dǎo)通功率MOSFET。當(dāng)電流達(dá)到限流點(diǎn)或達(dá)到反饋信號(hào)設(shè)置的占空比(PWM控制)時(shí)，MOSFET才會(huì)關(guān)斷。PWM控制器關(guān)斷MOSFET后，變壓器繞組間的電壓開始反向，輸出二極管被正向偏置，電流開始流入次級(jí)繞組，從而補(bǔ)充輸出電容中的電荷并將電流供應(yīng)給負(fù)載。
PWM控制在高功率下可提供較高的效率，但當(dāng)功率下降到中低水平時(shí)，效率將會(huì)隨之降低。我們可以通過分析開關(guān)電源中損耗產(chǎn)生的原因來探究其中的緣由。電源中有兩種基本損耗：電流流動(dòng)產(chǎn)生的阻性損耗，以及電路中電感和電容負(fù)載產(chǎn)生的開關(guān)損耗。
阻性損耗是電流均方根(RMS電流)的函數(shù)，因此，當(dāng)功率水平較高時(shí)，阻性損耗就相當(dāng)大。開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成比例。因此一般情況下，當(dāng)功率較低時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)開關(guān)損耗(隨頻率變化而變化)，從而嚴(yán)重限制電源的效率。
通過將開關(guān)頻率保持在較低水平，可以降低開關(guān)損耗，從而提高中低功率下的效率。不過，通過提高頻率可以減小某些元件(如變壓器、輸出電容和后級(jí)LC濾波器等)的尺寸，這一點(diǎn)對(duì)于設(shè)計(jì)薄型筆記本適配器很有利。
集成在TOPSwitch-HX器件中的700VMOSFET采用特殊制造技術(shù)，能以132kHz頻率進(jìn)行開關(guān)，其總體損耗比以更低頻率工作的其它同類MOSFET產(chǎn)品低得多。利用132kHz的開關(guān)能力，PI研發(fā)出一種名為SlimCore的薄型變壓器架構(gòu)，這樣就可以在薄型筆記本適配器應(yīng)用中采用低成本的線繞變壓器。
為克服PWM控制常見的效率限制問題，PI在TOPSwitch中采用了包含四種工作模式的多模式PWM引擎，以優(yōu)化所有功率水平下的開關(guān)頻率和均方根(RMS)電流(圖2)。[page]
圖2：TOPSwitch多模式控制
在高負(fù)載條件下，TOPSwitch-HX控制器工作于全頻PWM模式，此時(shí)用戶既可使用尺寸較小的元件，又可實(shí)現(xiàn)高效率。隨著負(fù)載的降低，控制器也降低頻率，從而降低開關(guān)損耗。它先切換到變頻模式，然后切換到頻率較低的固定頻率PWM模式。當(dāng)負(fù)載極輕時(shí)，控制方式從PWM控制模式開始切換，并采用多周期調(diào)制控制算法。TOPSwitch-HX能根據(jù)經(jīng)由光耦器饋入到控制引腳的反饋電流(圖1)，自動(dòng)在各控制模式間切換。
在高負(fù)載條件下，全頻PWM模式可實(shí)現(xiàn)高效率開關(guān)。開關(guān)頻率選定為132kHz，這樣能減小變壓器尺寸，同時(shí)能使開關(guān)頻率保持在150kHz步降開關(guān)以下，從而符合傳導(dǎo)EMI標(biāo)準(zhǔn)。占空比與反饋到控制引腳的控制電流呈線性函數(shù)關(guān)系并隨之減小。
隨著輸出負(fù)載的降低，TOPSwitch-HX控制將切換至變頻模式(VFM)。在此模式下，功率MOSFET峰值漏極電流將保持不變，同時(shí)開關(guān)頻率會(huì)從132kHz的初始全頻(或66kHz，取決于用戶的選擇)下降到30kHz。占空比隨著負(fù)載的降低而減小，這一過程通過延長(zhǎng)開關(guān)脈沖之間的關(guān)斷時(shí)間來完成。開關(guān)頻率的降低導(dǎo)致開關(guān)損耗下降，并可在負(fù)載降低時(shí)維持電源效率恒定不變。
隨著電源負(fù)載進(jìn)一步降低和開關(guān)頻率達(dá)到30kHz，TOPSwitch-HX將切換至固定低頻PWM模式。在此模式下，通過調(diào)整MOSFET導(dǎo)通時(shí)間，可使開關(guān)頻率保持在音頻波段以上并維持輸出穩(wěn)壓。開關(guān)頻率保持恒定不變且占空比減小，工作方式與全頻PWM模式相同，都通過縮短MOSFET導(dǎo)通時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。峰值漏極電流從初始的最大值下降到最小值，即設(shè)定流限值的25%，這樣可以在低功率時(shí)保持高效率，避免音頻噪聲問題。
TOPSwitch-HX進(jìn)入其最后的工作模式，即多周期調(diào)制模式，以支持超低負(fù)載要求。當(dāng)峰值漏極電流降到設(shè)定流限值的25%時(shí)，控制器便會(huì)切換到多周期調(diào)制模式。在此模式下，每當(dāng)根據(jù)回路要求傳導(dǎo)能量時(shí)，功率MOSFET將以30kHz的開關(guān)頻率開關(guān)，且至少持續(xù)135μs。這將產(chǎn)生一組至少四到五個(gè)的開關(guān)脈沖，這些脈沖的峰值初級(jí)電流固定為設(shè)定流限值的25%，且不受控制環(huán)路的影響。
135μs的強(qiáng)制性最小開關(guān)時(shí)間過后，控制器將以逐周期的方式對(duì)來自環(huán)路的反饋信號(hào)作出反應(yīng)。隨后MOSFET關(guān)斷，直至控制引腳電流降到預(yù)設(shè)值以下。這種工作模式可使與峰值漏極電流成比例的變壓器磁通密度減小，繼而將變壓器發(fā)出的音頻噪音降至最低，同時(shí)還可以避免6kHz到15kHz之間的開關(guān)頻率。常采用的反激式轉(zhuǎn)換器磁芯尺寸的自諧振頻率通常介于此頻率范圍內(nèi)。
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多周期調(diào)制功能可有效地將每個(gè)平均開關(guān)頻率控制在所需的音頻范圍內(nèi)，保持輸出穩(wěn)壓，同時(shí)避免出現(xiàn)前面提到的磁芯自諧振頻率。因此，與更為傳統(tǒng)的突發(fā)工作模式不同的是，多周期調(diào)制能確保音頻噪音得到有效抑制，同時(shí)還可提高工作效率。
上述控制模式為電源設(shè)計(jì)師提供了內(nèi)置的設(shè)計(jì)方法。該方法可在整個(gè)功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率，但對(duì)設(shè)計(jì)師而言，仍還有許多工作要做。電源設(shè)計(jì)必須要安全地解決所有故障情況和最差情況下的元件容差問題。在以非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)工作的反激式轉(zhuǎn)換器中，輸出到負(fù)載的功率與開關(guān)頻率、變壓器初級(jí)電感量以及峰值電流平方均成比例。
因此，這三個(gè)參數(shù)的微小變化便可導(dǎo)致過載電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出故障條件下的額定輸出值。為構(gòu)建能經(jīng)受此類故障的電源，就必須采用較大的元件，但這卻會(huì)給薄型筆記本適配器設(shè)計(jì)帶來空間和散熱兩大難題。
TOPSwitch-HX已解決了上述難題。TOPSwitch-HX引入額外的電路，并在最終測(cè)試中采用參數(shù)調(diào)整技術(shù)，以控制開關(guān)頻率與流限值平方的乘積的最大值和最小值，這在數(shù)據(jù)手冊(cè)中用一個(gè)新的參數(shù)來表征，即功率因數(shù)(I2f)。
在圖3中，對(duì)TOPSwitch-HX與上一代的TOPSwitch-GX(無I2f調(diào)整)的工作區(qū)域進(jìn)行了比較。去除特性曲線的左下方區(qū)域(I2f=0.81)，TOPSwitch-HX可確保在最差情況下提高通過變壓器傳導(dǎo)的最小能量。這樣，使用一個(gè)初級(jí)繞組電感低于先前要求的大約9%的變壓器，即足以在最差情況下提供指定的輸出電流。
去除右上方區(qū)域(I2f=1.21)可降低最大過載功率，同樣，使用一個(gè)初級(jí)繞組電感低于先前要求的大約9%的變壓器也可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，從而降低電路中許多元件的最大功率要求。在TOPSwitch-HX中引入I2f調(diào)整技術(shù)，是設(shè)計(jì)薄型筆記本適配器的關(guān)鍵促成因素。該技術(shù)可在給定設(shè)計(jì)中使給定的變壓器磁芯尺寸提供更多功率輸出，使過載功率與額定功率的比率大幅降低，并使導(dǎo)通損耗更小。
圖3：功率因數(shù)的影響
集成多模式控制及I2f調(diào)整功能的TOPSwitch-HX器件，13.5mm的凈空高度可容納整個(gè)電源，而制造成本卻與雙倍尺寸的適配器相當(dāng)。該設(shè)計(jì)的平均功率效率大于87%，超出了能源之星EPSv2.0的要求。當(dāng)采用交流230V輸入時(shí)，電路空載功耗可降到300mW以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于能源之星所允許的500mW空載功耗。
綜上所述，采用TOPSwitch-HX的超薄型筆記本適配器不再昂貴。所有筆記本適配器都可以采用這種方式進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，既節(jié)省材料又節(jié)約能耗。超薄型筆記本適配器可節(jié)省功率和成本。
