即使對于有經(jīng)驗的電源設(shè)計師來說，在一個小體積內(nèi)化電源效率也不容易。有許多設(shè)備需要小型電源設(shè)計。在給定的時間內(nèi)，這些設(shè)備可能需要為負載提供數(shù)百瓦的功率。對于高度限制小于1U的系統(tǒng)，強制空氣冷卻可能不可行，這意味著必須使用昂貴的大表面積薄散熱器來實現(xiàn)散熱管理。
AC/DC電源是一個輸入為交流，輸出為直流的電源模塊。該模塊包括整流濾波電路、降壓電路和穩(wěn)壓電路。在AC/DC電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，需要廣泛的輸入范圍。一般要求：85V~265V交流輸入，輸出電源轉(zhuǎn)換效率高，節(jié)能性能可有效提高。全負荷效率是AC/DC電源設(shè)計的主要考慮因素。綠色能源倡導提高AC/DC轉(zhuǎn)換器效率，實現(xiàn)更好的節(jié)能性能。
在大多數(shù)情況下，在這些功率水平上工作的AC-DC電源需要對某些類型的有源功率因數(shù)進行校正(PFC)。將功率半導體直接焊接到PCB板上，然后粘貼到底盤上，而不是將其絕緣并用螺栓固定在底盤上。考慮到熱粘貼材料的成本，整個裝配成本將降低。這也降低了電源的尺寸，降低了設(shè)備連接處的溫度約10攝氏度，從而使平均無故障時間間隔翻倍。對于AC-DC電源，一般使用非隔離線升壓預(yù)轉(zhuǎn)換器作為PFC級，其DC輸出電壓作為下游隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入。由于這兩個轉(zhuǎn)換器是串聯(lián)的，整體系統(tǒng)效率累積SYS為每個轉(zhuǎn)換器的效率乘積：
(1)
從公式(1)可以清楚地看出，具有許多特性的系統(tǒng)解決方案是結(jié)合交錯雙臨界傳導模式(BCM)PFC和隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器，其中前者跟隨不對稱半橋(AHB)，后者采用自驅(qū)動同步整流器。
圖1.12V，300W，小型通用AC-DC電源。
對于300W-1kW范圍內(nèi)的PFC轉(zhuǎn)換器，應(yīng)考慮交錯臨界傳導模式(BCM)PFC，因為在相似的功率水平下，其效率高于連續(xù)傳導模式(CCM)PFC控制技術(shù)。交錯BCMPFC基于可變頻率控制算法，兩個PFC升壓功率水平相互同步180度錯相。EMI濾波器和PFC輸出電容中常見的高峰值電流由于有效的電感紋波電流消除而減少。由于流經(jīng)等效串聯(lián)電阻(ESR)的ACRMS電流減少，輸出PFC大電容受益于紋波電流消除。此外，由于升壓MOSFET在依賴AC線的零電壓開關(guān)(ZVS)下關(guān)閉，并在零電流開關(guān)(ZCS)下導通，因此可以進一步提率。對于350W的交錯BCMPFC設(shè)計，MOSFT散熱器可以刪除，如圖1所示。另一方面，CCMPFC設(shè)計中使用的升壓MOSFET容易受到與頻率相關(guān)的開關(guān)損耗的影響，開關(guān)損耗與輸入電流和線電壓成比例。在零電流時關(guān)閉交錯BCM升壓二管可以避免反向恢復(fù)損耗，從而允許低成本的快速恢復(fù)整流二管，在某些情況下不需要散熱器。PFC轉(zhuǎn)換器工作的固有特點是:輸出電壓調(diào)節(jié)采用電壓PWM控制時，9穩(wěn)態(tài)占空比Du為常數(shù)(即導通時間Ton為常數(shù))，輸人電流接近正弦波。因此，功率因數(shù)校正可以在控制電路中實現(xiàn)，而無需乘法器和電流控制。
半橋是隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計的良好拓撲選擇，因為它有兩個互補的初級MOSFET，泄漏電壓于增加的DC輸入電壓。LLC采用可變頻率控制技術(shù)，利用與功率水平設(shè)計相關(guān)的寄生元素實現(xiàn)ZVS。然而，由于調(diào)整后的DC輸出只使用電容過濾器，這種拓撲適合低輸出線波和高輸出電壓的應(yīng)用。
AHB主要用于高性能模塊(如CPU、DMA、DSP等)之間的連接。)，作為SOC的片上系統(tǒng)總線，包括以下特點:單時鐘邊緣操作;非三態(tài)實現(xiàn)模式;支持突發(fā)傳輸;支持分段傳輸;支持多個主控制器;可配置32位~128位總線寬度;支持字節(jié)、半字節(jié)和單詞的傳輸。AHB系統(tǒng)由主模塊、模塊和基礎(chǔ)設(shè)施AHBInfrastructure組成。整個AHB總線上的傳輸由主模塊發(fā)出，由模塊響應(yīng)?；A(chǔ)設(shè)施由仲裁器、主模塊從模塊到多路器、從模塊到主模塊的多路器、譯碼器(decoder)、虛擬從模塊(dummyslave)、虛擬主模塊(dummyster)組成。
AHB是300W和12VDC-DC轉(zhuǎn)換器的有效選擇。由于初級電流滯后于變壓器的初級電壓，因此可以為兩個初級MOSFET的ZVS提供必要的條件。與LLC類似，AHB實現(xiàn)ZVS的能力也取決于對變壓器泄漏感、匝間電容和分立式設(shè)備的結(jié)電容等電路寄生元素的了解。與LLC控制中采用的可變頻率控制方法相比，固定頻率方案可以大大簡化二次自驅(qū)動同步整流(SR)的任務(wù)。變壓器二次端很容易計算自驅(qū)動SR的柵驅(qū)動電壓。添加一個低端MOSFET驅(qū)動器，如圖2所示的雙路4AFAN324驅(qū)動器，通過MOSFST米勒平坦區(qū)域的電平轉(zhuǎn)換和峰值驅(qū)動電流可以準確提供。
圖2.FAN3224，采用倍流整流器實現(xiàn)自驅(qū)動同步整流(SR)。
這種雙流整流器可用于雙端電源拓撲和大型DC電流應(yīng)用，具有幾個突出的特點。首先，二次端由一個簡單的繞組組成，可以簡化變壓器結(jié)構(gòu)。其次，由于所需的輸出電感分布在兩個電感器上，大電流流入二次端產(chǎn)生的功耗分布更有效。第三，兩個電感紋波電流作為空比(D)的函數(shù)相互抵消。被抵消的兩個電感電流之和是開關(guān)頻率的兩倍，因此允許更高的頻率，而流入輸出電感的峰值電流較低。
添加到二次端整流器上的電壓不對稱可能是AHB的缺點之一。當AHB在其限值D=0.5附近工作時，加載的SR電壓幾乎匹配。然而，更合理的方案是在額定工作期間將D保持在0.25。
調(diào)節(jié)器后面是一個帶有自驅(qū)動SR的不對稱半橋DC-DC轉(zhuǎn)換器，如圖1所示。
表1.小型AC-DC電源設(shè)計規(guī)格。
表1中的規(guī)格是對所有設(shè)計要求的簡要總結(jié)。主要設(shè)計目標如下：
1.在盡可能寬的范圍內(nèi)獲得的效率。
2.盡可能小的設(shè)計尺寸。
3.散熱器的使用和尺寸化。
