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01 反激式电源中的铁氧体磁放大器
对于两个输出端都提供实际功率(5V 2A 和 12V 3A,两者都可实现± 5%调节)的双路输出反激式电源来说,当电压达到 12V 时会进入零负载状态,而无法在 5%限度内进行调节。线性稳压器是一个可实行的解决方案,但由于价格昂贵且会降低效率,仍不是理想的解决方案。
我们建议的解决方案是在 12V 输出端使用一个磁放大器,即便是反激式拓扑结构也可使用。为了降低成本,建议使用铁氧体磁放大器。然而,铁氧体磁放大器的控制电路与传统的矩形磁滞回线材料(高磁导率材料)的控制电路有所不用。铁氧体的控制电路(D1 和 Q1)可吸收电流以便维持输出端供电。该电路已经过全面测试。变压器绕组设计为 5V 和 13V 输出。该电路在实现 12V 输出± 5%调节的同时,甚至还可以达到低于 1W 的输入功率(5V 300 mW 和 12V 零负载)。
考虑一下 5V 2A 和 12V 3A 反激式电源。该电源的关键规范之一便是当 12V 输出端达到空载或负载极轻时,对 5V 输出端提供过功率保护(OPP)。这两个输出端都提出了± 5%的电压调节要求。
对于通常的解决方案来说,使用检测电阻会降低交叉稳压性能,并且保险丝的价格也不菲。而现在已经有了用于过压保护(OVP)的消弧电路。该电路能够同时满足 OPP 和稳压要求,使用部分消弧电路即可实现该功能。
从图 2 可以看出,R1 和 VR1 形成了一个 12V 输出端有源假负载,这样可以在 12V 输出端轻载时实现 12V 电压调节。在 5V 输出端处于过载情况下时,5V 输出端上的电压将会下降。假负载会吸收大量电流。R1 上的电压下降可用来检测这一大量电流。Q1 导通并触发 OPP 电路。
03 有源并联稳压器与假负载
在线电压 AC 到低压 DC 的开关电源产品领域中,反激式是目前最流行的拓扑结构。这其中的一个主要原因是其独有的成本效益,只需向变压器次级添加额外的绕组即可提供多路输出电压。
通常,反馈来自对输出容差有最严格要求的输出端。然后,该输出端会定义所有其它次级绕组的每伏圈数。由于漏感效应的存在,输出端不能始终获得所需的输出电压交叉稳压,特别是在给定输出端因其它输出端满载而可能无负载或负载极轻的情况下更是如此。
可以使用后级稳压器或假负载来防止输出端电压在此类情况下升高。然而,由于后级稳压器或假负载会造成成本增加和效率降低,因而它们缺乏足够的吸引力,特别是在近年来对多种消费类应用中的空载和 / 或待机输入功耗的法规要求越来越严格的情况下,这一设计开始受到冷落。图 3 中所示的有源并联稳压器不仅可以解决稳压问题,还能够最大限度地降低成本和效率影响。
使用三相交流电进行工作的工业设备常常需要一个可以为模拟和数字电路提供稳定低压直流电的辅助电源级。此类应用的范例包括工业传动器、UPS 系统和能量计。
此类电源的规格比现成的标准开关所需的规格要严格得多。不仅这些应用中的输入电压更高,而且为工业环境中的三相应用所设计的设备还必须容许非常宽的波动—包括跌落时间延长、电涌以及一个或多个相的偶然丢失。而且,此类辅助电源的指定输入电压范围可以达到 57 VAC 至 580 VAC 之宽。
设计如此宽范围的开关电源可以说是一大挑战,主要在于高压 MOSFET 的成本较高以及传统的 PWM 控制环路的动态范围的限制。StackFET 技术允许组合使用不太昂贵的、额定电压为 600V 的低压 MOSFET 和 Power Integrations 提供的集成电源控制器,这样便可设计出简单便宜并能够在宽输入电压范围内工作的开关电源。
该电路可以简化 AC/DC 转换器中的 EMI 滤波器电路并降低其成本。要使 AC/DC 电源符合 EMI 标准,就需要使用大量的 EMI 滤波器器件,例如 X 电容和 Y 电容。AC/DC 电源的标准输入电路都包括一个桥式整流器,用于对输入电压进行整流(通常为 50-60 Hz)。由于这是低频 AC 输入电压,因此可以使用如 1N400X 系列二极管等标准二极管,另一个原因是这些二极管的价格是最便宜的。
这些滤波器器件用于降低电源产生的 EMI,以便符合已发布的 EMI 限制。然而,由于用来记录 EMI 的测量只在 150 kHz 时才开始,而 AC 线电压频率只有 50 或 60 Hz,因此桥式整流器中使用的标准二极管(参见图5-1)的反向恢复时间较长,且通常与 EMI 产生没有直接关系。
然而,过去的输入滤波电路中有时会包括一些与桥式整流器并联的电容,用来抑制低频输入电压整流所造成的任何高频波形。
为满足严格的待机功耗规范要求,一些多路输出电源被设计为在待机信号为活动状态时断开输出连接。
通常情况下,通过关闭串联旁路双极晶体管(BJT)或 MOSFET 即可实现上述目的。对于低电流输出,如果在设计电源变压器时充分考虑到晶体管的额外压降情况,则 BJT 可成为 MOSFET 的合适替代品,且成本更为低廉。
图6所示为简单的 BJT 串联旁路开关,电压为 12 V,输出电流强度为 100 mA,并带有一超大电容(CLOAD)。晶体管 Q1 为串联旁路元件,由 Q2 根据待机信号的状态来控制其开关。电阻 R1 的值是额定的,这样可确保 Q1 有足够的基值电流在最小 Beta 和最大的输出电流下以饱和的状态工作。PI 建议额外添加一个电容器(Cnew),用以调节导通时的瞬态电流。如果不添加 Cnew,Q1 在导通后即迅速进入电容性负载,并因而产生较大的电流尖峰。为调节该瞬态尖峰,需要增加 Q1 的容量,这便导致了成本的增加。