负离子:
(转发)近年來,在工業和家電市場中,針對低成本應用的Off-lineFlyback電源供應器正逐漸成為一種主流趨勢.自從電源供應器的尺寸成為主要設計考量,產業界遂開始尋找無需附加龐大50/60Hz變壓器新的新型解決方案.在此同時,智慧型電源方案正以其簡單及易用的特性獲得市場認同.ST的VIPer12A是一種低成本的整合型智慧型電源IC,它帶有一個60KHz的整合型脈寬調變(PWM)控制器,以及一擊穿電壓為730V的高電壓功率MOSFET.這個智慧型電源IC可執行高效能的電源轉換,與分離元件式解決方案相比,可降低所佔空間及製造成本.這篇文章將分析幾個採用電源IC的Off-line結構,例如標準降壓、降壓/升壓配置;一個雙輸出和一種帶有雙重互補性輸出的新型結構.這些結構均適合在工業與家電市場的功率應用中做為主要元件的轉換之用.設計建議與應用實例將展示如何簡單地運用電源IC的特性建立小型電源供應器,例如啟動能力、過熱與過電流的整合保護,以及迴饋電路. 簡介在過去數年中,為了減小轉換器的尺寸與成本,一種從線性電源過渡到交換模式的電源供應器變革正在工業與家電市場中悄悄展開.由於國際標準、組織規範和市場趨勢等因素,高效能的能源解決方案遂成為各廠商應用時的首選,其至成為強制性的標準.這股趨勢造成了從50/60Hz變壓器以及線性調節器持續向高頻電源轉換器過渡的情況.此外,各種成本最佳化的新設計也讓廠商展開了開發適用於全球應用產品的構想,這讓廠商們開始思考較寬範圍的輸入電壓在設計上的可行性.由於開關電源方案是基於對功率半導體交換導通時間的調變方法,因此交換電源方案為這些廠商的構想提供了可能性.在工業與家電市場中,由於系統經常包含了微控制器、繼電器、LED、顯示器、針對低功率馬達控制或針對隔離閘器件的閘驅動器使用之三端雙向可控制矽元件,因此規範是必須遵循的標準.也因此,這類產品對閘驅動器的DC電壓要求通常為+15V、對微控制器與LED的要求為+5V、對繼電器的要求為+12V.在這些不同的應用中,這些規範讓各個複雜系統得以應用相同的元件進行設計.由於控制器與功率器件已經完全被整合在板上解決方案中,而且無需考慮功率器件智驅動以及電源供應器核心電路佈局等問題,因此智慧型電源技術進一步簡化了電源供應器的設計和開發過程.本文將簡述採用智慧型電源技術,以及採用VIPer12A的Off-lineFlyback的幾個標準應用. Off-line低功率結構概述透過調整電源開關的工作周期,Off-lineFlyback結構可以在無需任何隔離變壓器的情況下,將交流電源轉換成穩定的直流電壓.透過一個低成本電感器,可經由輸入到輸出的過程轉換能源.兩個拓樸結構分別被用來產生正電壓或負電壓,它們均與終端輸入電壓有關.圖一分別展二了階段式降壓與階段式降壓/升壓的結構.圖1–非隔離式電源轉換器:a)降壓;b)降壓-升壓兩個結構都使用一個電感器儲存能量,在電源開關通電時進行充電.這個電感器的電流波形可決定轉換器的工作模式,即‘連續模式’或‘非連續模式’.在連續模式中,電感器的電流絕不會歸零,而在非連續模式中,電感器的電流會在規定時間內歸零.在連續模式中,可利用D類開關的工作周期,透過電子方式對電壓進行控制,如此兩個轉換器的工作就像一個變壓器一樣.根據公式(1)和(2),D類開關的工作周期是透過導通時間(tON)和開關時間(tS)來決定.當開關接通時,輸出電感器上(Vi-Vo)將出現一個恒定電壓,讓電感器上的電流依照公式(3)計算出的di/dt速率呈現線性上升.當開關斷電時,電感器內的電壓極性會呈現相反,同時電感器還會試著維持與斷電前相同的電流.此時二極體將會導通,並箝制電感器的電壓到理想的零電壓狀態.通過電感器L的電壓是Vo,其電流將以公式(4)提供的速率呈現線性下降.一旦開關再次通電,L上的電流將從D被轉換到開關S,並向二極體施加反向偏壓.電感器L上的電流包含了當開關斷電時在二極體上的開關電流.這個電感器電流會隨著DC電流值Io以L值決定的電流上下波動.由於採用基本拓樸結構,使用低成本元件就能完成雙輸出轉換器的設計,如圖2所示.這些特結構別適用於降壓轉換器,但降壓-升壓也同樣適用.在圖2的2a中,這種結構使用了帶有兩個回掃線圈的輸出電感器,在反向模式帶有一個適當的纏繞線圈比率n.第二個拓樸結構展現了一種新穎的配置,適用於供給雙重互補性輸出的電路設計.由於採用了標準的單線圈電感器,因此該配置的最大優勢是能有效降低成本.在電感器電流呈現連續狀態(free-wheeling)時,為電容器充電可以產生第二個互補性輸出.此時透過一個帶有適當值的齊納二極體,可調節電感器上的電壓.圖2–雙輸出降壓轉換器:a)耦合電感器;b)互補性架構如圖3所示,在標準的降壓拓樸結構中,節點1的電壓是由二極體D所箝制,如此將使電感器的電流得以繼續流動.在這個解決方案中,齊納二極體Dz箝制節點1的電壓至Vd+Vz,在此處,Vd是二極體上的壓降,而Vz是齊納二極體上的電壓.如果電容器連接到齊納二極體與接地部份,則會產生一個負電壓源.當然,根據工作原理,第二個輸出的供給電流絕不會超過第一個.開關周期基本上可以被分為兩個時間段,如圖3所示.針對不連續導通模式(DCM),在開關S的通電期間(ton),輸出直流匯流排會被連接到輸出,並對負載供電(見圖3a).而在開關斷電時,電感器電流將繼續流過二極體D1(見圖3b),直到電流為零,而且輸出電感C1為這個負載饋電為止.圖3–降壓轉換器的建議功能電路:a)ton/b)toff.出現在續流通道上的齊納二極管不會對轉換器的工作造成影響,但它可能會影響到效能.為了理解齊納二極體是如何影響轉換器的效能,圖4顯示了齊納二極體的工作原理.如果輸出2(OUT2)沒有負載,則續流電流會持續流過二極體D1與Dz.圖4–在功率轉換器上的齊納二極體效能:a)Iload2=0/b)Iload2¹0隨著從OUT2吸取的電流逐漸增加,續流電流會流過一個不同的通路,平均分攤到兩個元件上(請見圖4b).採用這種方法可降低Dz的功耗,相對的也提高了它的效率.因此,對於一個給定的輸出電流Iout1而言,如果對一個互補輸出施加負載,將使轉換器的性能更加優良.兩個輸出電容器的選擇均取決於輸出波動的規格.必須選擇適當的C2,同時必須考慮到互補性輸出與主要輸出之間存在的某些聯繫.如果需要一個去耦合輸出,則必須使用一個適合控制的電路,如圖5所示.這個電路的工作狀況如同一個等效性負載,只需非常低成本的零件就可以輕易地實現這個電路.這個電路包含了兩個電晶體、Q1與Q2(即一個PNP和一個NPNBJT)、一個電阻器R1與一個齊納二極體Dz1.在Q2和Dz1的的驅動下,無論Vout1的供電負載為何,電晶體Q1都能確保L感應一個規定的電流.因此,無論Iout1的感應如何,這種方法將使Iout2具有多種變化,而且僅受到Iout1最大容許值的限制.圖5–降壓配置中的雙輸出調節轉換器 使用VIPer12A設計一個Off-line式轉換器由於元件本身的特性使然,使用VIPer12A設計一個降壓轉換器是簡單易懂的.圖6a展示了這個設計方案.透過連接Vdd引腳的一個二極管D1和電容器C1,通過轉換器的輸出電壓能夠輕易地實現VIPer12A的電源電壓.二極體的額定電壓選擇取決於輸入電壓,亦即,針對歐規185~265Vac的電壓輸入範圍可以使用一個400V的二極體.C1值的選擇必須根據啟動時間與短路特性來確定.事實上,在短路時間內,Vdd電壓會降到最小的必須值以下,讓內部的高電壓電流得以產生一個新的啟動順序.電容器的充電和放電時間取決於電容器本身的值,因此適合供給電源開關的時間周期內也會相應產生變化.另外,如果電流脈衝在元件上產生大量的熱,過熱保護功能可能會自動關斷電路.電容器的標準的值約在300Nf至10uF之間,額定電壓範圍是25~50V,視輸出電壓而定.簡化的調節電路僅包含一個連接FB與Vdd腳位的齊納二極體.為了讓調節功能更優良,可以在FB與S引腳之間設置一個過濾電容器C2.C2的電容值為數十nF.假設輸出電壓低於15V,若要啟動VIPer12A就必須稍為修改電路.在這個例子中,調節電路必須去掉與電源供給電路之間的耦合,使用分離式的二極體與電容器以供給在FB引腳、D2與C3之間的齊納二極體,如圖6b所示.二極體D2是一個低電壓二極體,即1N4148,它能使Vdd的電壓達到啟動值.由於D2與C3形成了一個輸出電壓峰值檢測器,因此C3的電容值將會影響調節電路的精度.在確保高精度的條件下,該電容器的電容值最低可達100nF.圖6–降壓轉換器:a)Vout>15V/b)Vout