| 圖3 由于推挽電源結(jié)構(gòu)在變壓器B--HQU曲線的更大的區(qū)域內(nèi)工作,因此推挽變壓器的功率處理能力是正向變壓器的兩倍 |
串聯(lián)使功能最大化
但是,推挽設(shè)計存在以下局限性：推挽轉(zhuǎn)換器中的主開關(guān)比降壓或正向電源結(jié)構(gòu)承受更高的電壓應(yīng)力。該電壓應(yīng)力相當(dāng)于輸入電壓Vin的兩倍。這是由于變壓器電壓從有源初級電圖“反射”無源初級線圖,因此使非活動開關(guān)的漏極上的電壓加倍。
對于典型的電信應(yīng)用,這意味著漏極上存在72??150V（36V到75V的兩倍）的電壓應(yīng)力。
不過,推挽轉(zhuǎn)換器具有我們所需的眾多優(yōu)點：隔離式的多個輸出、升壓和降壓功能、使用更小的組件獲得更高的功率處理能力Ｒ虼�，要使主开箙樝的悼姽应力最小，需灾I仆熳黃韉那懊嫣砑詠笛棺黃鰲Ｕ庋�，晤U強梢越檔禿涂刂瞥魷衷諭仆旒兜氖淙氳繆�，覒K虼私檔推涑跫斷呷ι系牡繆褂αΑＪ導(dǎo)噬�，推挽级所臭溨的悼姽降至Vout×N×2,其中N表示變壓器的匝數(shù)比。這適用于所有線路狀況,因為降壓轉(zhuǎn)換器提供完全調(diào)整過后的輸入電壓給推挽級。
這意味著經(jīng)由降低和固定的電壓應(yīng)力,可以方便地最佳化推挽級的輸出整流,并且由于在所有負(fù)載和線路狀況中,均在整流器之間平均分配功率,因此可以進(jìn)一步最佳化輸出整流。
通過串聯(lián)降壓/推挽轉(zhuǎn)換器可以簡化控制器設(shè)計�，F(xiàn)在只有使用單個開關(guān)的降壓級才需要使用脈沖寬度調(diào)制器件進(jìn)行控制,以便調(diào)整串聯(lián)轉(zhuǎn)換器的Vout。推挽級可以簡單地受控于持續(xù)工作的振蕩器,以50%工作周期交替。
美國國家半導(dǎo)體最近推出了專門設(shè)計用于串聯(lián)電源結(jié)構(gòu)的控制器,因此不必為您的設(shè)計開發(fā)兩個控制器,即不必為每個級開發(fā)一個控制器。LM5041包括用于降壓級的PWM控制器,以及用于推挽級的振蕩器和驅(qū)動器。您可以使用單個電阻器設(shè)置推挽驅(qū)動器的空載時間或重疊時間。您可以選擇介于50??500ns之間的值精度為15%的溫度范圍。
降壓級控制器的四個輸出與美國國家半導(dǎo)體新推出的LM5100系列降壓級門驅(qū)動器配合使用,可以簡化設(shè)計中這個方面的問題。
LM5041中使用的偏壓、控制和保護(hù)電路與前面所述的LM5030非常類似。但是,LM5041具有獨特的功能,低電壓鎖定(UVLO),且具有可調(diào)整的滯后作用。
通過使用LM5041之類的串聯(lián)PWM控制器,您可以減少串聯(lián)降壓/推挽轉(zhuǎn)換器設(shè)計中的組件數(shù)。通過從電壓反饋降壓/推挽轉(zhuǎn)換器進(jìn)展到電流反饋轉(zhuǎn)換器設(shè)計,您可以去除附加組件,實際上可以從您的設(shè)計中去除兩大組件（參見圖4）。
經(jīng)由去除降壓級的輸出濾波電容器,轉(zhuǎn)換器將變?yōu)殡娏黟侂娫O(shè)計,因為只有降壓電感器充當(dāng)向推挽級饋電的電流源。在這種情況下,推挽開關(guān)在轉(zhuǎn)換傳輸時只需要具有非常小的重疊,就可以維護(hù)電感器的電流通路。（電壓反饋轉(zhuǎn)換器剛好相反,在轉(zhuǎn)換傳輸時只需較少的空載時間�？梢允褂肔M5041控制器上的TIME引腳對二者進(jìn)行設(shè)置。）
除了降壓濾波電容器之外,還可以去掉推挽輸出電感器。這意味著在您的設(shè)計中無需使用高電流輸出電感器,只需在輸入端使用一個電感器,它具有較低的電流要求。
串聯(lián)方式眾多優(yōu)點中的其中之一就是減少了推挽級開關(guān)中的交換損耗。這一點非常重要,因為3.3V功率轉(zhuǎn)換器的典型功率損耗預(yù)算中有40%的損耗出現(xiàn)在次級整流中。
表2比較了至此我們已討論的三個電源結(jié)構(gòu)的次級整流器應(yīng)力。用作比較的示例是輸入為35??80V以及輸出為3.3V。
在上半部的圖表,比較了電壓應(yīng)力。正如您從正向和推挽電源結(jié)構(gòu)中看到的那樣,電壓應(yīng)力與輸入電壓成比例。在高壓線路狀況下,計算出的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于串聯(lián)電源結(jié)構(gòu)的應(yīng)力,串聯(lián)電源結(jié)構(gòu)的整流器應(yīng)力只與Vout成比例。
這三個被比較的電源結(jié)構(gòu)都具有兩個次級整流器。下面是表比較了每個電源結(jié)構(gòu)的ON時間比。推挽和串聯(lián)電源結(jié)構(gòu)在兩個次級整流器上具有平衡負(fù)載。正向電源結(jié)構(gòu)整流器上的負(fù)載比與輸入電壓成比例。使用平衡負(fù)載更容易實現(xiàn)最佳且可靠的設(shè)計。
總之,盡管所有三個電源結(jié)構(gòu)導(dǎo)致將功率提供給隔離輸出,并且單級正向和推挽電源結(jié)構(gòu)更易于使用較少的零件進(jìn)行設(shè)計,但是串聯(lián)降壓/推挽電源結(jié)構(gòu)可應(yīng)用於更加可靠且應(yīng)力較小的設(shè)計。
如果在您的設(shè)計中使用半橋級替換推挽級,則半橋級將為電壓反饋,因為需要一對分路電容器以便進(jìn)行正確操作。（另外,在設(shè)計中再次引入了一個小的輸出級電感器。）半橋方式具有進(jìn)一步降低初級端開關(guān)上電壓應(yīng)力的優(yōu)點。半橋級FET應(yīng)力降至Vout×N。這是推挽電源結(jié)構(gòu)的應(yīng)力的一半。另一個優(yōu)點是只需一個初級繞組。
如果在您的設(shè)計中使用全橋級替換推挽級,則全橋為電流反饋。無需使用一對分路電容器或輸出級電感器。如同半橋方式一樣,初級端開關(guān)上的電壓應(yīng)力降至Vout×N。其他優(yōu)點是電流為半橋級電流的一半。
因此,通過在電源設(shè)計中從單級電源結(jié)構(gòu)移向串聯(lián)方式,可以滿足下一個設(shè)計中的效率和密度目標(biāo)�，F(xiàn)在,有了專用控制器,串聯(lián)推挽方式更容易設(shè)計了。對于更高的負(fù)載電流要求,您可以在設(shè)計的隔離式電源使用半橋或全橋電源結(jié)構(gòu),而不使用推挽電源結(jié)構(gòu)。
