倒置降壓拓撲如何為非隔離返馳式提供另一種選擇

作者 : John Dorosa,TI應用工程師

在決定拓撲結構時,返馳式拓撲通常是任何小功率離線轉換器的首選。但是,如果不需要隔離,這就可能不是最好的方法…

離線式電源是最常見的電源之一,也稱為交流電源。隨著越來越多的產品將典型的家庭功能整合在內,業界對輸出能力在1W以下的小功率離線轉換器的需求也越來越大。對於這些應用,最重要的設計方面是效率、整合和低成本。

在決定拓撲結構時,返馳式拓撲通常是任何小功率離線轉換器的首選。但是,如果不需要隔離,這就可能不是最好的方法。假設終端設備是一個智慧照明開關,使用者可以透過智慧型手機的app進行控制,那麼在這種情況下,使用者在操作過程中不可能接觸到暴露的電壓,因此就不需要隔離。

對於離線電源來說,返馳式拓撲是一種合理的解決方案,因為其物料清單(BOM)數量較少,只有少數功率級元件,並且變壓器在設計上可以處理較寬的輸入電壓範圍。但是,如果設計的終端應用不需要隔離呢?如果是這樣的話,考慮到輸入是離線的,設計人員可能仍然想要使用返馳式拓撲。帶整合式場效應電晶體(FET)和初級側調節的控制器可以創建小型的返馳式解決方案。

圖1是非隔離返馳式轉換器的典型原理圖,使用帶初級側調節的UCC28910返馳式式開關電源IC進行設計。雖然這個方案可行,但與返馳式電源相比,離線倒置降壓拓撲具有更高的效率,並且BOM數量更少。這篇電源設計的文章,將會探討倒置降壓對於小功率AC/DC轉換的優勢。

 

圖1 這種使用UCC28910返馳式開關電源IC的非隔離返馳式設計,可將AC轉換為DC,但離線倒置拓撲可以更有效地完成此項工作。

圖2畫出了倒置降壓的功率級。和返馳式電源一樣,它包含兩個開關元件、一個磁性元件(是一個功率電感而不是變壓器)和兩個電容。顧名思義,倒置降壓拓撲類似於降壓轉換器。開關產生一個介於輸入電壓和地之間的開關波形,然後透過電感電容網路濾波,區別在於輸出電壓穩壓成低於輸入電壓的電位,即使輸出「浮動」在輸入電壓以下,它仍然可以正常為下游電子電路供電。

圖2 倒置降壓功率級的簡化原理圖。

將FET設置在低側,返馳式控制器就可以直接對它驅動。圖3所示的倒置降壓拓撲使用UCC28910返馳式開關電源IC設計,1:1耦合電感器充當磁開關元件。一次繞組充當功率級的電感;二次繞組為控制器提供定時和輸出電壓調節資訊,並為控制器的本地偏置電源(VDD)電容充電。

圖3 使用UCC28910返馳式開關電源IC的典型倒置降壓拓撲設計。

返馳式拓撲的一個缺點是能量透過變壓器傳遞的方式。這種拓撲在FET的導通時間內將能量儲存在氣隙中,然後在FET的關斷時間內將其傳輸到次級。實際的變壓器在初級側會有一定的漏感。當能量轉移到次級側時,剩餘的能量會儲存在漏感中,這個能量是不能用的,需要使用齊納二極體或電阻電容網路進行耗散。

在降壓拓撲中,漏電能在FET的關斷時間內透過二極體D7傳遞到輸出端。這樣可以減少元件數量並提高效率。

另一個區別是每個磁性元件的設計和傳導損耗。因為倒置降壓拓撲只有一個繞組來傳輸電能,所以所有的電能傳輸電流都會通過它,這就實現了良好的銅利用率,返馳式拓撲則不具有這麼好的銅利用率。當FET導通時,電流通過一次繞組,而二次繞組中卻沒有;當FET關斷時,電流通過二次繞組,而一次繞組中卻沒有。因此,在返馳式設計中,變壓器要儲存更多的能量,並且需要使用更多的銅來提供相同的輸出功率。

圖4對具有相同輸入、輸出規格的降壓轉換器電感和返馳式變壓器的原、副邊繞組的電流波形進行了比較。降壓轉換器電感的波形在左側的單獨藍色框中,返馳式轉換器的原、副邊繞組在右側的兩個紅色框中。

對於各種波形來說,傳導損耗可以依均方根電流的平方乘以繞組電阻的方式來計算。因為降壓轉換器只有一個繞組,所以磁場中的總傳導損耗就是這一個繞組的損耗。然而,返馳式轉換器的總傳導損耗是原、副邊繞組損耗之和。此外,在相同的功率水準下,返馳式轉換器中磁性元件的物理尺寸要比倒置降壓設計更大,兩個元件的儲能均等於½ L × IPK2

對於圖4所示的波形,根據計算,倒置降壓設計所需儲存的電能僅為返馳式設計的1/4。因此,與相同功率的返馳式設計相比,倒置降壓設計的尺寸要小得多。

圖4 降壓拓撲與返馳式拓撲中電流波形的比較。

當不需要隔離時,返馳式拓撲並不總是小功率離線應用的最佳解決方案。倒置降壓拓撲由於可以使用更小的變壓器/電感,因此可以提供更高的效率和更低的BOM成本。對於電力電子領域的設計人員來說,對於給定的規格,必須要考慮所有可能的拓撲解決方案,從而確定最佳匹配。

(參考原文:Power Tips #94: How an upside-down buck offers a topology alternative to the non-isolated flyback,by John Dorosa)

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