與傳統(tǒng)的線性電源相比,開關(guān)電源具有許多優(yōu)點。在通常情況下,假如只要一個直流輸出,采用一個變壓器、整流器和濾波電容就可構(gòu)成線性電源。有時,可采用一個線性穩(wěn)壓器供應(yīng)穩(wěn)壓輸出。這種系統(tǒng)的重要優(yōu)點是簡單,所以成本通常較低。而開關(guān)電源通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴,所以線性電源獲得了廣泛應(yīng)用。表1列出了兩種系統(tǒng)的優(yōu)點和缺點。

表1線性與開關(guān)電源比較

線性電源開關(guān)模式電源通常成本很低成本有低有高噪聲低可達(dá)到低噪聲,但會新增復(fù)雜度結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)復(fù)雜重量重,體積大重量輕,體積小效率低效率高固定輸入電壓通用輸入電壓

開關(guān)電源電路有許多種,但最常見的是反激式轉(zhuǎn)換器,其原理如圖1所示,電源輸入首先經(jīng)過整流,然后濾波,接下來經(jīng)過變壓器和初級開關(guān),以及初級控制器;這個控制器根據(jù)反饋信號來改變開關(guān)的占空比,反饋信號是由次級反饋而來。盡管可采用電感器,但所示設(shè)計采用的是未隔離的變壓器。隔離設(shè)計在離線設(shè)備中更為常見,在離線設(shè)備中,變壓器具有隔離用途,可方便地實現(xiàn)占空比調(diào)整。反激式開關(guān)電源可在非持續(xù)導(dǎo)通和持續(xù)導(dǎo)通兩種模式下工作,不持續(xù)導(dǎo)通模式如圖2所示。Ilm和Vlm是變壓器磁化電感通過的電流和施加的電壓。表2開關(guān)電源的兩種導(dǎo)通模式

持續(xù)導(dǎo)通模式非持續(xù)導(dǎo)通模式峰值電流較小,開關(guān)損耗較低峰值電流較大,開關(guān)損耗較峰值電流較小,變壓器損耗較低峰值電流較大,變壓器損耗較所需電感較大,緩沖損耗較高所需電感較小,緩沖損耗較低次邊要快速恢復(fù)二極管不要快速恢復(fù)二極管

當(dāng)開關(guān)閉合時,電壓施加在變壓器初級的兩端,因為此時次級二極管是截止的,變壓器所起的用途就像電感器。經(jīng)過初級線圈的電流會上升,同時能量儲存在磁通量中。當(dāng)開關(guān)斷開時,次級二極管導(dǎo)通,電流通過次級時會下降,因為能量被轉(zhuǎn)換至次邊大容量電容器。假如電流經(jīng)過磁化電感區(qū)后降至零,這是不持續(xù)導(dǎo)通模式。假如磁化電流未降至零,如圖3所示,則系統(tǒng)以持續(xù)導(dǎo)通模式工作。表2列出了兩種模式的優(yōu)缺點。兩種模式各有其優(yōu)缺點,可根據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行選擇?？梢赃x擇大負(fù)載的持續(xù)模式設(shè)計,或選擇小負(fù)載的非持續(xù)模式設(shè)計。有電壓和電流兩種控制模式,在電壓模式中,次邊電壓被反饋,直接控制工作循環(huán);而在電流模式中,次邊電壓被反饋,控制最大的開關(guān)電流,即控制IC的pWM部分使開關(guān)閉合,當(dāng)電流達(dá)到反饋設(shè)定的極限時,開關(guān)就斷開。

控制器的選擇過去,大多數(shù)SMpS系統(tǒng)采用分立控制器IC和用場效應(yīng)晶體管(FET)作為開關(guān),現(xiàn)在可以采用集成控制器,這些集成器件針對各種功率級別和應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化,通常可分為雙芯片式和單芯片式兩類。雙芯片式包括控制器芯片和MOSFET芯片,而單芯片式僅有一個芯片,一般采用BCDMOS工藝制造。采用BCDMOS工藝制造高壓功率MOSFET器件,它的局限性多于采用優(yōu)化MOSFET工藝制造的器件。通常,采用BCDMOS工藝制造的芯片的單位面積RDS(on)值會高出許多。然而,單芯片解決方法的成本較低,在低功率應(yīng)用領(lǐng)域具有優(yōu)勢。因此,一般是為高功率應(yīng)用選擇雙芯片方法,而為低功率應(yīng)用選擇單芯片方法,高低功率的分界點在15至20W左右,飛兆半導(dǎo)體有供應(yīng)兩種類型的功率開關(guān)。

應(yīng)用實例圖4所示為采用KA5M0365R的通用開關(guān)模式電源的電路圖,KA5M0365R是雙芯片器件。電源的輸入電壓為85～265VAC,開關(guān)頻率為66kHz,輸出為3.3V、1.2A,5V、1.5A,9V、0.5A和33V、0.1A。內(nèi)部MOSFET的額定值為3A和650V,但不是簡單的MOSFET,而是SenseFET,其源極面積約有1%被隔離出來,形成次感應(yīng)源極。漏極電流的1%來自感應(yīng)源極,它流經(jīng)集成電阻器,便于準(zhǔn)確地測量電流值,不存在與外部電流采樣電阻器相關(guān)的損耗。自線路輸入端開始,首先是一個用于抑制EMI的濾波器,接下來是橋型整流器、NTC電阻器和濾波電容器。NTC電阻器用于防止開關(guān)閉合時的電流浪涌。在第一次接通電源時,FpS以旁路模式工作,吸收極少的電流,Vcc電容器被充電,一旦達(dá)到電壓鎖定閾值15V范圍的上限,該器件就開始開關(guān),它的電流需求新增,Vcc電壓開始下降。然而,假定Vcc電容器足夠大,Vcc電壓仍保持在電壓鎖定閾值范圍的較低水平,在正常運作期間,第三線圈開始供電。緩沖網(wǎng)絡(luò)(SnubberNetwork)連接在變壓器初級的兩端,以確保變壓器泄漏電感引起的尖峰信號,不會造成開關(guān)漏極電壓超過其擊穿電壓。假如超過擊穿電壓,器件會發(fā)生雪崩,由于它具有一定的雪崩額定值,這樣僅僅多消耗一點功率,不需配置昂貴的齊納緩沖器。有四個次級線圈供應(yīng)四路電壓輸出,通過一個光耦,由431型電壓參考器供應(yīng)反饋信號。

保護(hù)功能所有的離線式電源必須達(dá)到一定的安全標(biāo)準(zhǔn),圖4所示的設(shè)計具有良好的保護(hù)功能,得益于控制器具有的過載保護(hù)、過壓保護(hù)、過流保護(hù)、欠壓保護(hù)和過熱保護(hù)特性。假如電源超負(fù)載但未短路,輸出電壓將會降低,反饋電壓上升,占空比新增以進(jìn)行補償。然而,因為初邊電流有限,可轉(zhuǎn)換的最大功率也是有限的,因此反饋電壓將繼續(xù)上升。一旦它達(dá)到閾值,器件的開關(guān)動作就會停止。過載保護(hù)可延時以防止負(fù)載瞬變導(dǎo)致的錯誤觸發(fā)。假如在反饋回路中出現(xiàn)開路故障,反饋引腳電壓將上升,導(dǎo)致工作循環(huán)新增,輸出電壓也將上升,Vcc引腳電壓同樣也上升,一旦Vcc電壓達(dá)到保護(hù)閾值,設(shè)備就關(guān)閉,以防止損害次級。假如在反饋回路中出現(xiàn)短路故障,反饋引腳將接地,器件的開關(guān)動作也會停止。假如次級整流器發(fā)生短路,或負(fù)載短路,在開關(guān)閉合之后,立即有大電流流經(jīng)開關(guān),從而造成損害。因此,器件會測量在開關(guān)閉合后極短時間內(nèi)的電流,假如電流值比閾值高,器件會停止運轉(zhuǎn)。假如器件試著自動重新啟動,保護(hù)功能會鎖死開關(guān)動作以防止重復(fù)的應(yīng)力。另外,器件具有前沿屏蔽功能。

針對特定應(yīng)用的改進(jìn)低功率電源常常是備用、輔助電源,或用于內(nèi)務(wù)處理,FSDH0165或FSDH565等單芯片器件適用于此類電源,芯片集成了控制器和SenseFET。由于器件采用BCDMOS技術(shù)制造,不存在起動電阻器。有可能將高壓整流電源直接連接到器件上,其起動與雙芯片器件相似,然而,差別是該器件用內(nèi)部電流源為Vcc電容器充電,一旦Vcc引腳電壓達(dá)到閾值電壓,器件起動,電流源從內(nèi)部斷開,因此在正常運作期間,不從電路中直接吸取能量,因而效率提高。關(guān)于較高功率電源,可采用圖5所示的系統(tǒng),它與先前的系統(tǒng)很相似,但它以準(zhǔn)諧振模式工作,Lm不是一個單獨的元件,而是變壓器的一部分。在這種模式下,開關(guān)頻率與輸入電壓和負(fù)載水平無關(guān),在低輸入電壓和大負(fù)載的情況下,頻率降低,而在高輸入電壓和小負(fù)載的情況下,開關(guān)頻率升高。在最大輸入電壓下,所需頻率不應(yīng)超過最高開關(guān)頻率150kHz,因此施加的負(fù)載應(yīng)有所限制。準(zhǔn)諧振模式的優(yōu)點是EMI較低和效率較高。這里未出現(xiàn)先前所用的傳統(tǒng)RCD(電阻器電容器二極管)緩沖器,作為替代,采用一個與開關(guān)并聯(lián)的小型電容器,電源開關(guān)配有一個額外的同步引腳,用于開通SenseFET。在次級二極管截止之前,其工作與非持續(xù)電流反激方式基本相同。在初級二極管截止后,開關(guān)管漏極開始振鈴動作,頻率由串聯(lián)的電容器和初級電感量所決定。同步引腳電壓開始下降,當(dāng)電壓超過閾值時,開關(guān)再次閉合。選擇合適的同步引腳元件,使得漏極電壓達(dá)到最小值時,同步電壓達(dá)到閾值。該系統(tǒng)為軟開關(guān)型,具有很小的EMI,因為漏極電壓很小,開關(guān)損耗也降至最低。但這里忽略了功率因數(shù)校正問題,因為在歐洲已經(jīng)要求所有功耗超過75W的設(shè)備需進(jìn)行功率因數(shù)校正。有幾種方法可實現(xiàn)功率因數(shù)校正,從簡單的無源解決方法到較復(fù)雜和性能較好的有源解決方法。飛兆半導(dǎo)體的ML4803采用小型8引腳封裝,集成了pFC和pWMSMpS控制器,在技術(shù)和成本具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。現(xiàn)在已經(jīng)有多種適合不同應(yīng)用和功率范圍的器件,使離線式開關(guān)電源的設(shè)計變得更為簡單。