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倒置降压如何为非隔离反激提供拓扑替代

2020-03-27 15:18:12 John Dorosa,应用工程师,TI 阅读:
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。

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。DOOednc

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。DOOednc

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。DOOednc

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。DOOednc

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。DOOednc

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。DOOednc

图2倒置降压功率级的简化原理图。DOOednc

将FET设置在低侧,反激控制器就可以直接对它驱动。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。DOOednc

图3:使用UCC28910反激开关电源IC的典型倒置降压拓扑设计。DOOednc

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。DOOednc

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。DOOednc

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。DOOednc

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。DOOednc

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 × IPK2DOOednc

对于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。DOOednc

4降压拓扑与反激拓扑中电流波形的比较。DOOednc

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。DOOednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:How an upside-down buck offers a topology alternative to the non-isolated flybackDOOednc

本文为《电子技术设计》2020年4月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里DOOednc

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