你的位置:首页 > 电源管理 > 正文

对于小功率AC/DC转换,倒置降压的优势在哪?

发布时间:2020-04-01 责任编辑:lina

【导读】对于离线电源来说,反激拓扑是一种合理的解决方案。但是,如果设计的终端应用不需要隔离,那么与之相比,离线倒置降压拓扑具有更高的效率,并且 BOM 数量更少。这篇电源设计的文章,将会探讨倒置降压对于小功率 AC/DC 转换的优势。
   
对于离线电源来说,反激拓扑是一种合理的解决方案。但是,如果设计的终端应用不需要隔离,那么与之相比,离线倒置降压拓扑具有更高的效率,并且 BOM 数量更少。这篇电源设计的文章,将会探讨倒置降压对于小功率 AC/DC 转换的优势。
 
离线式电源是最常见的电源之一,也称为交流电源。随着越来越多的产品将典型的家庭功能集成在内,业界对输出能力在 1W 以下的小功率离线转换器的需求也越来越大。对于这些应用,最重要的设计方面是效率、集成和低成本。
 
在决定拓扑结构时,反激拓扑通常是任何小功率离线转换器的首选。但是,如果不需要隔离,这就可能不是最好的方法。假设终端设备是一个智能灯开关,用户可以通过智能手机的 app 进行控制,那么在这种情况下,用户在操作过程中不可能接触到暴露的电压,因此就不需要隔离。
 
对于离线电源来说,反激拓扑是一种合理的解决方案,因为其物料清单(BOM)数量较少,只有少数功率级元件,并且变压器在设计上可以处理较宽的输入电压范围。但是,如果设计的终端应用不需要隔离呢?如果是这样的话,考虑到输入是离线的,设计人员可能仍然想要使用反激拓扑。带集成式场效应晶体管(FET)和初级侧调节的控制器可以创建小型的反激解决方案。
 
图 1 给出的非隔离反激转换器的典型原理图,使用带初级侧调节的 UCC28910 反激式开关电源 IC 进行设计。虽然这个方案可行,但与反激电源相比,离线倒置降压拓扑具有更高的效率,并且 BOM 数量更少。这篇电源设计的文章,将会探讨倒置降压对于小功率 AC/DC 转换的优势。
 
对于小功率AC/DC转换,倒置降压的优势在哪?  
图 1:这种使用 UCC28910 反激开关电源 IC 的非隔离反激设计,可将 AC 转换为 DC,但离线倒置拓扑可以更有效地完成此项工作。
 
图 2 画出了倒置降压的功率级。和反激电源一样,它包含两个开关元件、一个磁性元件(是一个功率电感器而不是变压器)和两个电容器。顾名思义,倒置降压拓扑类似于降压转换器。开关产生一个介于输入电压和地之间的开关波形,然后通过电感电容网络滤波。区别在于输出电压稳压成低于输入电压的电位。即使输出“浮动”在输入电压以下,它仍然可以正常为下游电子电路供电。
 
 对于小功率AC/DC转换,倒置降压的优势在哪?
图 2:倒置降压功率级的简化原理图。
 
将 FET 设置在低侧,反激控制器就可以直接对它驱动。图 3 所示的倒置降压拓扑使用 UCC28910 反激开关电源 IC 设计。1:1 耦合电感器充当磁开关元件。一次绕组充当功率级的电感器。二次绕组为控制器提供定时和输出电压调节信息,并为控制器的本地偏置电源(VDD)电容器充电。
 
 对于小功率AC/DC转换,倒置降压的优势在哪?
图 3:使用 UCC28910 反激开关电源 IC 的典型倒置降压拓扑设计。
 
反激拓扑的一个缺点是能量通过变压器传递的方式。这种拓扑在 FET 的导通时间内将能量存储在气隙中,然后在 FET 的关断时间内将其传输到次级。实际的变压器在初级侧会有一定的漏感。当能量转移到次级侧时,剩余的能量会存储在漏感中。这个能量是不能用的,需要使用齐纳二极管或电阻电容网络进行耗散。
 
在降压拓扑中,漏电能在 FET 的关断时间内通过二极管 D7 传递到输出端。这样可以减少元器件数量并提高效率。
 
另一个区别是每个磁性元件的设计和传导损耗。因为倒置降压拓扑只有一个绕组来传输电能,所以所有的电能传输电流都会通过它,这就实现了良好的铜利用率。反激拓扑则不具有这么好的铜利用率。当 FET 导通时,电流通过一次绕组,而二次绕组中却没有。当 FET 关断时,电流通过二次绕组,而一次绕组中却没有。因此,在反激式设计中,变压器要储存更多的能量,并且需要使用更多的铜来提供相同的输出功率。
 
图 4 对具有相同输入、输出规格的降压转换器电感器和反激变压器的原、副边绕组的电流波形进行了比较。降压转换器电感器的波形在左侧的单独蓝色框中,反激转换器的原、副边绕组在右侧的两个红色框中。
 
对于各种波形来说,传导损耗可以按均方根电流的平方乘以绕组电阻的方式来计算。因为降压转换器只有一个绕组,所以磁场中的总传导损耗就是这一个绕组的损耗。然而,反激转换器的总传导损耗是原、副边绕组损耗之和。此外,在相同的功率水平下,反激转换器中磁性元件的物理尺寸要比倒置降压设计更大。两个元件的储能均等于½ L × IPK2。
 
对于图 4 所示的波形,根据计算,倒置降压设计所需存储的电能仅为反激设计的 1/4。因此,与相同功率的反激设计相比,倒置降压设计的尺寸要小得多。
 
 对于小功率AC/DC转换,倒置降压的优势在哪?
图 4:降压拓扑与反激拓扑中电流波形的比较。
 
当不需要隔离时,反激拓扑并不总是小功率离线应用的最佳解决方案。倒置降压拓扑由于可以使用更小的变压器 / 电感器,因此可以提供更高的效率和更低的 BOM 成本。对于电力电子领域的设计人员来说,对于给定的规格,必须要考虑所有可能的拓扑解决方案,从而确定最佳匹配。
 
 
 
免责声明:本文为转载文章,转载此文目的在于传递更多信息,版权归原作者所有。本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题,请联系小编进行处理。
 
 
推荐阅读:
户外蓝牙音箱如何在两节锂电池7.4V输出相当铅酸电池12V供电的功率?
TDMA噪声难题?你在驱动单通道扬声器时遇到了哪些?
涨知识啦!RGB接口和MCU接口有什么不同?
分析电子设备雷击浪涌抗扰
实现运放负反馈电路稳定性设计,只需这3步!
特别推荐
技术文章更多>>
技术白皮书下载更多>>
热门搜索

关闭

关闭