解決ＳＭＰＳ難題

Ｈａｎｇｓｅｏｋ　Ｃｈｏｉ

摘要：本文描述了不對稱半橋轉(zhuǎn)換器的基本工作原理，并介紹了一種相比普通分立式MOSFET及PWM控制器解決方案具有顯著優(yōu)勢的集成式功率開關(guān)，此外還闡釋了這種專門為軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器而設(shè)計的功率開關(guān)如何降低設(shè)計總成本和元件數(shù)目、減小尺寸和重量，同時提高效率、產(chǎn)能和系統(tǒng)可靠性

關(guān)鍵詞：SMPS；PWM：MOSFET：綠色

DOI：10.3969/j.issn.1005—5517.2009.06.017

電源能效對環(huán)境的影響問題越來越受到世界范圍的關(guān)注，致力于自然資源保護(hù)的全球各國政府和標(biāo)準(zhǔn)化制定機(jī)構(gòu)已相繼推出各項措施，積極推廣高能效電源。美國加州能源委員會(CEC)已針對外置電源制定了強(qiáng)制性能效標(biāo)準(zhǔn)，全球其他實施自愿性規(guī)范計劃的地區(qū)也考慮推出強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，以推動電源效率的提高。這些規(guī)范都驅(qū)使電源設(shè)計人員采用新的拓?fù)洌热缰C振轉(zhuǎn)換器和軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器。

諧振開關(guān)技術(shù)在整個開關(guān)周期內(nèi)都采用諧振工作模式，而軟開關(guān)技術(shù)只在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間才采用諧振工作模式，以軟化開關(guān)器件的開關(guān)特性。一旦開關(guān)轉(zhuǎn)換結(jié)束，轉(zhuǎn)換器又恢復(fù)到常見的脈寬調(diào)制(PWM)模式。由于只在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間才涉及到諧振工作模式，因此其諧振元件的參數(shù)不像諧振轉(zhuǎn)換器中的那么重要。此外，開關(guān)頻率是固定的。這使得EMI濾波器的優(yōu)化更為容易。

在各種類型的軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器中，不對稱PWM半橋轉(zhuǎn)換器因其結(jié)構(gòu)簡單且固有零電壓開關(guān)(ZVS)能力而獲得設(shè)計人員的青睞。

不對稱半橋轉(zhuǎn)換器的基本工作原理

圖1所示為不對稱PWM半橋轉(zhuǎn)換器的電路簡圖及其波形。圖2給出了詳細(xì)的開關(guān)波形。當(dāng)上面的開關(guān)(Q₂)導(dǎo)通時，DC隔直電容(C_B)不僅是負(fù)載的供電電源，還作為隔直電容防止變壓器飽和。一般而言。不對稱PWM半橋轉(zhuǎn)換器包含三級，如圖1所示，即方波發(fā)生器、能量傳送網(wǎng)絡(luò)和整流器網(wǎng)絡(luò)。

方波發(fā)生器通過驅(qū)動開關(guān)Q₁和Q₂產(chǎn)生一個方波電壓(V_d)。換言之，下面和上面的MOSFET的占空比應(yīng)該分別為D和1-D。這時，兩次轉(zhuǎn)換之間一般有一個很小的死區(qū)時間。

能量傳送網(wǎng)絡(luò)包含一個DC隔直電容和一個變壓器。這個網(wǎng)絡(luò)利用DC隔直電容(c_g)消除方波電壓(V_d)的DC偏移，然后通過變壓器把純AC方波電壓傳送到次級端。由于存在泄漏電感，變壓器初級端電流I_p。滯后于加在變壓器初級端上的電壓，這就讓MOSFET得以零電壓導(dǎo)通。如圖2所示，在其中一個開關(guān)斷開之后，I_p對MOSFET輸出電容進(jìn)行充電(或放電)，最終開關(guān)電壓從一個輸入電軌變化到另一個(從V_in。到地或從地到V_in)。接著I_p繼續(xù)流經(jīng)反向并聯(lián)的體二極管。只要體二極管導(dǎo)通。相應(yīng)的MOSFET就能夠零電壓導(dǎo)通。這種軟開關(guān)方案不僅可降低開關(guān)損耗，還能減小電磁干擾(EMI)。

整流器網(wǎng)絡(luò)利用整流二極管和低通LC濾波器對AC電壓進(jìn)行整流，最后產(chǎn)生DC電壓。這個整流器網(wǎng)絡(luò)可采用全波的橋式結(jié)構(gòu)或中心抽頭式

針對不對稱半橋轉(zhuǎn)換器設(shè)計的集成式功率開關(guān)

飛兆半導(dǎo)體的集成式“Green FPS”功率開關(guān)FSFA2100系列是專門針對不對稱半橋轉(zhuǎn)換器設(shè)計而開發(fā)的一種技術(shù)。這種技術(shù)在單個器件中整合了PWM控制器、高端驅(qū)動和SuperFET。只需要極少數(shù)量的外部元件。圖3所示為其內(nèi)部模塊示意圖。在大功率轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中。PCB版圖設(shè)計一向是棘手部分，因為在布局時，為了把噪聲干擾降至最低。必需讓柵極驅(qū)動器和控制電路盡可能地靠近MOSFET。FSFA2100把柵極驅(qū)動器及控制電路與MOSFET集成在一起，使這些器件之間的距離最小化，從而大幅減小了終端應(yīng)用的噪聲干擾。此外，這樣做也減少了寶貴的設(shè)計時間，使生產(chǎn)力得以提高。

采用系統(tǒng)級封裝解決SMPS設(shè)計中的可靠性和“綠色”問題

今天，大多數(shù)電子廠商都要求SMPS設(shè)計具有高度可靠性，這促使電源設(shè)計人員在設(shè)計中采用保護(hù)方案來防范各種故障的發(fā)生，比如過載、過壓、輸出短路、輸出二極管短路和過熱。不過，這種保護(hù)可能需要大量額外的電路，從而增加成本。而FSFA2100在設(shè)計中整合了多項自我保護(hù)功能，無需額外的元件，故不僅可增強(qiáng)可靠性還能降低成本。

軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器的另一個問題是，輕載時，由于初級端電流不足以完成MOSFET輸出電容的充電/放電，可能無法實現(xiàn)軟開關(guān)。這樣一來。在SMPS必須滿足要求低待機(jī)功耗的功效或“綠色”標(biāo)準(zhǔn)時，問題就出現(xiàn)了。

FSFA2100在待機(jī)模式下采用間歇模式工作，很容易滿足國際能源署(IEA)的1瓦倡議。該規(guī)范要求把待機(jī)功耗降至1瓦以下。在間歇模式中，功率開關(guān)能夠交替啟動和禁止開關(guān)工作，以降低有效開關(guān)頻率，這種方法可減小MOSFET中的開關(guān)損耗和變壓器中的滯徊損耗。

結(jié)語

由于在SMPS中采用軟開關(guān)拓?fù)淠軌蛱岣咝始敖档虴MI。設(shè)計人員在自己的電源設(shè)計中開始不斷采用這種新興方案。傳統(tǒng)上，設(shè)計人員使用分立元件加控制器的解決方案來實現(xiàn)軟開關(guān)。但現(xiàn)在，集成了SuperFET和PWM IC的功率開關(guān)可以提供一個非常適合于具成本效益軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器設(shè)計的基本平臺。通過集成保護(hù)功能并采用間歇工作模式，功率開關(guān)技術(shù)可大大提高可靠性。同時又降低功耗，滿足“綠色”標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求。