电路配置通盘考量应用

电路配置通盘考量应用

　　其实，表1的规格是对AC-DC电源设计要求的简单结论，主要设计目标包括尽可能在宽范围内获得最大的效率，并实现最小型的电源设计及散热器尺寸。若要在宽负载范围内获得最大的效率，须对每一个功率级的材料和元件选择进行仔细的考虑，尤其是在磁性设计方面，由于交错式BCM PFC的频率可能高达数百kHz，且变化多达10：1，故升压电感必须是客制化设计的。

       举例来说，采用适当等级的等效多股绞合线(Litz Wire)可减小交流损耗，而交流损耗正是BCM PFC升压电感中铜损耗的主要部分。因此，应该采用适合高频工作的间隙(Gapped)铁氧体材料，如选择EPCOS公司的N87材料制作薄而扁平的EFD30铁氧体磁芯组，其测得的PFC效率如图3所示。

　　图3 AC-DC电源设计搭载交错式BCM PFC测得的效率(100%=330瓦)

　　对于300瓦的扁平型AHB变压器，一种解决方案是采用两个水平磁芯的结构，包括初级端绕组以串连方式连接;次级端绕组以并连方式连接。不过，该方案必须使用两个变压器，因为每个磁芯的横截面积(Ae)差不多是避免饱和所必需的150平方毫米的一半，而要在一个高不到20毫米的小型元件上设计出横截面积为150平方毫米的传统形状磁芯，是一件不可能的事情。因此，类似于BCM PFC电感设计，该方案也采用绞合线和高频铁氧体磁芯材料来保持高效率。

　　最后一个重要设计步骤是把AHB变压器中的漏电感量控制在允许范围内，对于ZVS的要求，需要某些特定的漏电感值;而对于自驱动SR，则需要调节时序延迟。在本设计中因变压器产生的有效泄漏被优化为7μH，也就是总体有效磁性电感的1.5%，300瓦AHB DC-DC转换器测得的效率结果如图4所示。

　　图4 AHB 390伏特到12伏特/25安培DC-DC测得的效率(100%=300瓦)

降低导通损耗成关键　BCM/AHB控制器助阵

　　以图4测得的满负载效率而言，主要由转换器功率级的导通损耗来决定，因此，在这些条件下，几乎没有一种控制器可提供帮助。不过，要保持较高的轻载效率，倒有好几种控制器技术可以考虑。例如快捷(Fairchild)半导体推出的一款交错式双BCM PFC控制器FAN9612，其利用一个内部固定的最大频率箝制来限制轻载下和AC输入电压过零点附近的与频率相关的输出电容(Coss)MOSFET开关损耗。

　　值得注意的是，在AC线电压部分输入电压(VIN)>输出电压(VOUT)的二分之一期间，也可采用谷底开关技术(Valley-switching Technique)来感测最佳的MOSFET导通时间，进一步降低输出电容的电容性开关损耗;而当VIN 此外，FAN9612还导入一种自动相位管理功能，进一步提高轻载效率。这种功能可把双通道工作降至单通道工作模式，而相位管理则有助于提高轻载效率的效益，如图3所示，在10%<20%時，效率曲線看起來更加平坦。加上單通道工作模式可把開關損耗對輕載效率的影響降至最低，如圖5所示，交錯式pfc在相位管理期間具有保持同步的能力。左圖記錄的是當負載從0提高到19%(64瓦)，單通道轉換到雙通道工作模式時的情況。右圖記錄的則是負載從滿載降至12%(42瓦)時，雙通道轉換到單通道工作模式時的情況。 <20%時，效率曲線看起來更加平坦。加上單通道工作模式可把開關損耗對輕載效率的影響降至最低，如圖5所示，交錯式pfc在相位管理期間具有保持同步的能力。左圖記錄的是當負載從0提高到19%(64瓦)，單通道轉換到雙通道工作模式時的情況。右圖記錄的則是負載從滿載降至12%(42瓦)時，雙通道轉換到單通道工作模式時的情況。>

　　图5 PFC相位管理比较图

　　另一方面，AHB隔离式DC-DC转换器的实现方案可采用AHB控制器FSFA2100来实现。举例来说，导入FSFA2100于单一的九脚功率半导体系统封装(SiP)中，其能整合脉冲宽度调变(PWM)控制、闸极驱动功能及内部功率MOSFET等功能。此种先进的整合度让设计人员可藉由较少的外部元件，进一步获得高达420瓦的极高效率。

　　值得注意的是，把这三大关键功能整合在单一封装中，可避免对ZVS所需死区时间(Dead Time)的可编程设计任务，并把内部驱动器与MOSFET之间的闸极驱动寄生电感减至最小。不过，SiP功率封装中的功耗大部分源于内部MOSFET的开关，因此需要一个扁平的挤压式散热器，尤其是对无强制空气冷却的300瓦设计，更是如此。

设计环节紧密扣连　高效率AC-DC电源诞生

　　总体而言，以本文所举的设计案例，AC-DC的整体系统包括输入EMI滤波器、桥式整流器、交错式BCM PFC和AHB隔离式DC-DC转换器，所获得的总体效率如图6所示。在Vin=120伏特交流电(VAC)时，该设计的峰值效率为91%;Vin=230伏特交流电时为92%;Vin=120VAC或230VAC，以及POUT>38%(114瓦)时，大于90%。

　　图6 AC-DC电源总体系统效率

　　其中，包括磁性元件设计、功率半导体选择、印刷电路板(PCB)布局、散热器选择及控制器特性等所有条件都必须协同工作，才能成功实现一个在大负载范围内可获得高效率的扁平且小型AC-DC电源设计。