电源设计小贴士52：改造墙式电源

大家好 我是德州仪器电源工程师丁丹业欢迎来到电源小贴士52 在这个小贴士中 我们将要来讨论墙式适配器发生了那些改变 十年前 通用的墙式适配器使用工频变压器 它们被安装在墙壁插座里 使用工频变压器降压到几十伏 然后用线性稳压器驱动负载 它最大的问题是体积较大、有噪声 同时 它占用了一半的电源插头 使得无法使用更多的设备 它的损耗也很大 满载时 线性稳压器功耗很大 即使在轻载时 工频变压器的磁化功率也非常大 损耗差不多有1~2W 所以 让墙式适配器效率更高是个很大的进步 这里我将阐述开关电源在墙式适配器中的使用 现在的适配器结构都很紧凑 在宽的负载范围内 都有很高的效率 可以做到真正的空载无功率损耗 我们刚开始学习开关电源时 适配器通常使用断续模式反激拓扑 而最近基本都使用准谐振反激拓扑 准谐振模式能带来那些好处呢 那就是它降低了开关损耗 准谐振反激变换器的原理图 和断续反激变换器很像 这两者的工作模式也很类似 当然准谐振变换器增加了一些元器件 这张幻灯片给出的是反激变换器功率MOSFET漏极的波形 在这个波形中 当MOSFET导通时候 其电压为0 原边励磁电流线性上升 当MOSFET关断时原边励磁电感和MOSFET结电容谐振 其漏极电压上升 并被输出电压钳位 磁化电流线性下降 并最终磁化电流下降为0 输出二极管截止 原边MOSFET结电容和励磁电感开始谐振 漏极电压开始下降 一直下降到输入电压减去n倍的V0 对于准谐振反激变换器 我们采用什么聪明的方法来再开通MOSFET呢 这里是典型断续反激变换器VDS波形 如果在这里开通 MOSFET电压很高 结电容储能大 开关损耗大 如果在这里开通时 MOSFET电压很低 结电容储能小 开关损耗小 准谐振反激变换器在波谷开通MOSFET 有两个优点 首先 可以减少开通损耗 改善效率 其次 可以减小EMI 原因是 如果在很高的漏极电压开通MOSFET 开通电流大 EMI大 而如果在谷底开通MOSFET 开通电流小 EMI小 现在为了保证断续反激变换器获得小的开通损耗 我们必须做两件事 首先 必须知道开关电压达到最低的时刻 其次是 要保证反激变换器工作在断续模式 像我们之前讨论的 就功率级而言 准谐振反激变换器看起来和断续反激变换器相似 许多控制IC可以工作在断续模式或准谐振模式 在这页幻灯片中显示 寄生电容 包括MOSFET结电容 输出二极管的反射电容 绕组分布电容、MOSFET封装电容和散热器的分布电容 如果准确放电这些寄生电容 和断续反激变换器对比 准谐振反激变换器可以提高2%~3%变换器效率 这里是一些TI准谐振模式控制器 对于准谐振反激变换器的第二个优点是 减少EMI 这里有两种方法 第一种方法是我们讨论过的 MOSFET在谷底开通 电流小 第二种方法是相对于固定频率反激变换器 准谐振反激变换器可以通过抖动开关频率 减少EMI 准谐振反激变换器不能做成恒频的 它的工作频率范围很宽 这里有两种不同的控制模式 这两条曲线 X轴是输出功率 在上面的曲线上 我们看到的是电源的工作频率 下面的曲线是原边峰值电流 在相关的典型控制器中 满载时工作在最大开关频率 这里原边峰值电流被钳位 当你减轻负载时 频率会跟着降低 我们为什么要做这些设计呢 因为电源的开关损耗和工作频率成正比 而输出功率也正比于开关频率 所以效率曲线从这个点到满载都可以比较平滑 我们的工作频率会被钳位在一些固定的频率点 它们位于音频范围附近 所以假如你的最大工作频率是50kHz 你将工作频率降到25kHz或者30kHz 并且钳位到这儿 这么做的原因是 人耳可以听到的频率再20kHz的范围内 所以你的电源的工作频率要高于这个频率 在这个点 原边峰值电流开始下降 以调节输出功率 最后 我们进入轻载或空载的情况 变换器进入间歇工作模式 这会给你带来非常低的待机功耗 这里是一个准谐振反激电源的例子 用在墙式适配器上 它是通用的 85V~264V输入的离线式电源 你可以看到线路非常简单 只有的整流桥EMI滤波电路 这里是功率级MOSFET 功率变压器 MOSFET漏极的吸收缓冲电路 正如我们讨论的 MOSFET开通 原边励磁电流上升 MOSFET关断 其漏极电压快速升高 变压器通过输出二极管给负载传递能量 接着电感的电流下降为0 二极管关断 MOSFET的漏极开始振荡 此时进行谷底开通 需要特别说明的是 此芯片有两个独到之处 一般的离线电源副边的信息通过光耦反馈到原边 从而控制输出电压 此芯片在偏置绕组上采样输出电压 此电压的典型值加在这个的RC分压电路上 当输出二极管的电压降到0时 这个采样到的偏置电压可以模拟输出电压 我们用它来调制电源 第二点是 偏置绕组检测MOSFET漏极的谷底 我们再重复一遍 这个偏置绕组的电压用来模拟检测谷底开关的漏极电压 最后这个绕组给控制芯片提供偏置功率和过载保护 这个例子是我们已有的三款设计中的其中一例 这三款设计在TI网站上有很好的文档 打开这些链接就可以下载测试报告、原理图、元器件清单等 这是一个准谐振反激用在适配器上的实例 这里是USD接口 它可以给你的iPhone Blackberry 或者其他你喜欢的手机充电 它的空载功耗只有差不多30mW 也就是说 空载工作30小时的功耗仅有1~2W 这款电源的效率是80% 如果用同步整流 可能能达到85%的效率 这和典型的墙式适配器50%的效率相比 可以节约相当多的能源 这就是我们今天介绍的电源小贴士 更多的电源小贴士 请访问Power Management Design Line 然后搜索Power tips标题 或者在本视频短片的说明部分 点击至所有文章的链接 谢谢大家参与