四北電子公司介紹如何設(shè)計高效小型化開關(guān)電源
開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。從上世紀(jì)90年代以來開關(guān)電源相繼進入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，計算機、程控交換機、通訊、電子檢測設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開關(guān)電源。隨著電源技術(shù)的發(fā)展，低電壓，大電流的開關(guān)電源因其技術(shù)含量高，應(yīng)用廣，越來越受到人們重視。在開關(guān)電源中，正激和反激式有著電路拓撲簡單，輸入輸出電氣隔離等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于中小功率電源變換場合。跟反激式相比，正激式變換器變壓器銅損較低，同時，正激式電路副邊紋波電壓電流衰減比反激式明顯，因此，一般認為正激式變換器適用在低壓，大電流，功率較大的場合。
2 基本技術(shù)
2.1 有源鉗位技術(shù)
正激DC／DC變換器其固有缺點是功率晶體管截止期間高頻變壓器必須磁復(fù)位。以防變壓器鐵心飽和，因此必須采用專門的磁復(fù)位電路。通常采用的復(fù)位方式有三種，即傳統(tǒng)的附加繞組法、RCD鉗位法、有源鉗位法。三種方法各有優(yōu)缺點：磁復(fù)位繞組法正激變換器的優(yōu)點是技術(shù)成熟可靠，磁化能量可無損地回饋到直流電路中去，可是附加的磁復(fù)位繞組使變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,變壓器漏感引起的關(guān)斷電壓尖峰需要RC緩沖電路來抑制，占空比D<0.5，功率開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力與輸入電源電壓成正比。RCD鉗位正激變換器的優(yōu)點是磁復(fù)位電路簡單，占空比D可以大于0.5，功率開關(guān)管承受電壓應(yīng)力較低,但大部分磁化能量消耗在鉗位電阻中，因此它一般適用于變換效率不高且價廉的電源變換場合。有源鉗位技術(shù)是三種技術(shù)中效率最高的技術(shù)，它的電路圖如圖1所示，工作原理如圖2所示。在 DT時段之前，開關(guān)管S1導(dǎo)通，激磁電流iM為負，即從Cr通過S1流向Tr，在DT階段，開關(guān)管S的驅(qū)動脈沖ugs使其導(dǎo)通，同時ugs1=0，使S1 關(guān)斷，在Vin的作用下，激磁電流由負變正，原邊功率通過變壓器傳到副邊，給輸出端電感L充電；在（1－D）T時段，ugs=0，S關(guān)斷，ugs1到來使 S1導(dǎo)通，iM通過S1的反并二極管向Cr充電，在Cr和Tr漏感構(gòu)成的諧振電路的作用下，iM由正變負，變壓器反向激磁。從以上分析中可以看出：有源鉗位正激變換器變壓器鐵心工作在雙向?qū)ΨQ磁化狀態(tài)，提高了鐵心利用率，鉗位電容的穩(wěn)態(tài)電壓隨開關(guān)占空比而自動調(diào)節(jié)，因而占空比可大于50％；Vo一定時，主開關(guān)、輔助開關(guān)應(yīng)力隨Vin的變化不大；所以，在占空比和開關(guān)應(yīng)力允許的范圍內(nèi)，能夠適應(yīng)較大輸入電壓變化范圍的情況。不足之處是增加了一個管子，使得電路變得復(fù)雜。
2.2 同步整流技術(shù)
在低電壓大電流功率變換器中，若采用傳統(tǒng)的普通二極管或肖特基二極管整流由于其正向?qū)▔航荡螅ǖ蛪汗瓒䴓O管正向壓降約0.7V，肖持基二極管正向壓降約 0.45V，新型低電壓肖特基二極管可達0.32V)，整流損耗成為變換器的主要損耗，無法滿足低電壓大電流開關(guān)電源高效率,小體積的需要。
MOSFET導(dǎo)通時的伏安特性為一線性電阻，稱為通態(tài)電阻RDS，低壓MOSFET新器件的通態(tài)電阻很小，如：IRL3102(20V，61A)、 IRL2203S(30V,116A)、IRL3803S(30V,100A)通態(tài)電阻分別為0.013Ω、0.007Ω和0.006Ω，它們在通過 20A電流時，通態(tài)壓降不到0.3V。另外，功率MOSFET開關(guān)時間短,輸入阻抗高，這些特點使得MOSFET成為低電壓大電流功率變換器首選的整流器件。功率MOSFET是一種電壓型控制器件，它作為整流元件時，要求控制電壓與待整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能，故稱為同步整流電路。圖1為典型的降壓型“同步”開關(guān)變換器電路(當(dāng)電路中無SR時，為“普通”的降壓型開關(guān)變換器電路)。
2 基本技術(shù)
2.1 有源鉗位技術(shù)
正激DC／DC變換器其固有缺點是功率晶體管截止期間高頻變壓器必須磁復(fù)位。以防變壓器鐵心飽和，因此必須采用專門的磁復(fù)位電路。通常采用的復(fù)位方式有三種，即傳統(tǒng)的附加繞組法、RCD鉗位法、有源鉗位法。三種方法各有優(yōu)缺點：磁復(fù)位繞組法正激變換器的優(yōu)點是技術(shù)成熟可靠，磁化能量可無損地回饋到直流電路中去，可是附加的磁復(fù)位繞組使變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,變壓器漏感引起的關(guān)斷電壓尖峰需要RC緩沖電路來抑制，占空比D<0.5，功率開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力與輸入電源電壓成正比。RCD鉗位正激變換器的優(yōu)點是磁復(fù)位電路簡單，占空比D可以大于0.5，功率開關(guān)管承受電壓應(yīng)力較低,但大部分磁化能量消耗在鉗位電阻中，因此它一般適用于變換效率不高且價廉的電源變換場合。有源鉗位技術(shù)是三種技術(shù)中效率最高的技術(shù)，它的電路圖如圖1所示，工作原理如圖2所示。在 DT時段之前，開關(guān)管S1導(dǎo)通，激磁電流iM為負，即從Cr通過S1流向Tr，在DT階段，開關(guān)管S的驅(qū)動脈沖ugs使其導(dǎo)通，同時ugs1=0，使S1 關(guān)斷，在Vin的作用下，激磁電流由負變正，原邊功率通過變壓器傳到副邊，給輸出端電感L充電；在（1－D）T時段，ugs=0，S關(guān)斷，ugs1到來使 S1導(dǎo)通，iM通過S1的反并二極管向Cr充電，在Cr和Tr漏感構(gòu)成的諧振電路的作用下，iM由正變負，變壓器反向激磁。從以上分析中可以看出：有源鉗位正激變換器變壓器鐵心工作在雙向?qū)ΨQ磁化狀態(tài)，提高了鐵心利用率，鉗位電容的穩(wěn)態(tài)電壓隨開關(guān)占空比而自動調(diào)節(jié)，因而占空比可大于50％；Vo一定時，主開關(guān)、輔助開關(guān)應(yīng)力隨Vin的變化不大；所以，在占空比和開關(guān)應(yīng)力允許的范圍內(nèi)，能夠適應(yīng)較大輸入電壓變化范圍的情況。不足之處是增加了一個管子，使得電路變得復(fù)雜。
2.2 同步整流技術(shù)
在低電壓大電流功率變換器中，若采用傳統(tǒng)的普通二極管或肖特基二極管整流由于其正向?qū)▔航荡螅ǖ蛪汗瓒䴓O管正向壓降約0.7V，肖持基二極管正向壓降約 0.45V，新型低電壓肖特基二極管可達0.32V)，整流損耗成為變換器的主要損耗，無法滿足低電壓大電流開關(guān)電源高效率,小體積的需要。
MOSFET導(dǎo)通時的伏安特性為一線性電阻，稱為通態(tài)電阻RDS，低壓MOSFET新器件的通態(tài)電阻很小，如：IRL3102(20V，61A)、 IRL2203S(30V,116A)、IRL3803S(30V,100A)通態(tài)電阻分別為0.013Ω、0.007Ω和0.006Ω，它們在通過 20A電流時，通態(tài)壓降不到0.3V。另外，功率MOSFET開關(guān)時間短,輸入阻抗高，這些特點使得MOSFET成為低電壓大電流功率變換器首選的整流器件。功率MOSFET是一種電壓型控制器件，它作為整流元件時，要求控制電壓與待整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能，故稱為同步整流電路。圖1為典型的降壓型“同步”開關(guān)變換器電路(當(dāng)電路中無SR時，為“普通”的降壓型開關(guān)變換器電路)。
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