離線電源的反激拓?fù)浣鉀Q方案

對(duì)于離線電源來說，反激拓?fù)涫且环N合理的解決方案。但是，如果設(shè)計(jì)的終端應(yīng)用不需要隔離，那么與之相比，離線倒置降壓拓?fù)渚哂懈叩男剩⑶褺OM數(shù)量更少。這篇電源設(shè)計(jì)的文章，將會(huì)探討倒置降壓對(duì)于小功率AC/DC轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢。

離線式電源是最常見的電源之一，也稱為交流電源。隨著越來越多的產(chǎn)品將典型的家庭功能集成在內(nèi)，業(yè)界對(duì)輸出能力在1W以下的小功率離線轉(zhuǎn)換器的需求也越來越大。對(duì)于這些應(yīng)用，最重要的設(shè)計(jì)方面是效率、集成和低成本。

在決定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，反激拓?fù)渫ǔＪ侨魏涡」β孰x線轉(zhuǎn)換器的首選。但是，如果不需要隔離，這就可能不是最好的方法。假設(shè)終端設(shè)備是一個(gè)智能燈開關(guān)，用戶可以通過智能手機(jī)的app進(jìn)行控制，那么在這種情況下，用戶在操作過程中不可能接觸到暴露的電壓，因此就不需要隔離。

對(duì)于離線電源來說，反激拓?fù)涫且环N合理的解決方案，因?yàn)槠湮锪锨鍐?BOM)數(shù)量較少，只有少數(shù)功率級(jí)元件，并且變壓器在設(shè)計(jì)上可以處理較寬的輸入電壓范圍。但是，如果設(shè)計(jì)的終端應(yīng)用不需要隔離呢?如果是這樣的話，考慮到輸入是離線的，設(shè)計(jì)人員可能仍然想要使用反激拓?fù)洹Ъ墒綀鲂?yīng)晶體管(FET)和初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)的控制器可以創(chuàng)建小型的反激解決方案。

圖1給出的非隔離反激轉(zhuǎn)換器的典型原理圖，使用帶初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)的UCC28910反激式開關(guān)電源IC進(jìn)行設(shè)計(jì)。雖然這個(gè)方案可行，但與反激電源相比，離線倒置降壓拓?fù)渚哂懈叩男剩⑶褺OM數(shù)量更少。這篇電源設(shè)計(jì)的文章，將會(huì)探討倒置降壓對(duì)于小功率AC/DC轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢。

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圖1：這種使用UCC28910反激開關(guān)電源IC的非隔離反激設(shè)計(jì)，可將AC轉(zhuǎn)換為DC，但離線倒置拓?fù)淇梢愿行У赝瓿纱隧?xiàng)工作。

圖2畫出了倒置降壓的功率級(jí)。和反激電源一樣，它包含兩個(gè)開關(guān)元件、一個(gè)磁性元件(是一個(gè)功率電感器而不是變壓器)和兩個(gè)電容器。顧名思義，倒置降壓拓?fù)漕愃朴?a href="http://ttokpm.com/tags/降壓轉(zhuǎn)換器/" target="_blank">降壓轉(zhuǎn)換器。開關(guān)產(chǎn)生一個(gè)介于輸入電壓和地之間的開關(guān)波形，然后通過電感電容網(wǎng)絡(luò)濾波。區(qū)別在于輸出電壓穩(wěn)壓成低于輸入電壓的電位。即使輸出“浮動(dòng)”在輸入電壓以下，它仍然可以正常為下游電子電路供電。

圖2：倒置降壓功率級(jí)的簡化原理圖

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將FET設(shè)置在低側(cè)，反激控制器就可以直接對(duì)它驅(qū)動(dòng)。圖3所示的倒置降壓拓?fù)涫褂肬CC28910反激開關(guān)電源IC設(shè)計(jì)。1:1耦合電感器充當(dāng)磁開關(guān)元件。一次繞組充當(dāng)功率級(jí)的電感器。二次繞組為控制器提供定時(shí)和輸出電壓調(diào)節(jié)信息，并為控制器的本地偏置電源(VDD)電容器充電。

圖3：使用UCC28910反激開關(guān)電源IC的典型倒置降壓拓?fù)湓O(shè)計(jì)

反激拓?fù)涞囊粋€(gè)缺點(diǎn)是能量通過變壓器傳遞的方式。這種拓?fù)湓贔ET的導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)將能量存儲(chǔ)在氣隙中，然后在FET的關(guān)斷時(shí)間內(nèi)將其傳輸?shù)酱渭?jí)。實(shí)際的變壓器在初級(jí)側(cè)會(huì)有一定的漏感。當(dāng)能量轉(zhuǎn)移到次級(jí)側(cè)時(shí)，剩余的能量會(huì)存儲(chǔ)在漏感中。這個(gè)能量是不能用的，需要使用齊納二極管或電阻電容網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行耗散。

在降壓拓?fù)渲?，漏電能在FET的關(guān)斷時(shí)間內(nèi)通過二極管D7傳遞到輸出端。這樣可以減少元器件數(shù)量并提高效率。

另一個(gè)區(qū)別是每個(gè)磁性元件的設(shè)計(jì)和傳導(dǎo)損耗。因?yàn)榈怪媒祲和負(fù)渲挥幸粋€(gè)繞組來傳輸電能，所以所有的電能傳輸電流都會(huì)通過它，這就實(shí)現(xiàn)了良好的銅利用率。反激拓?fù)鋭t不具有這么好的銅利用率。當(dāng)FET導(dǎo)通時(shí)，電流通過一次繞組，而二次繞組中卻沒有。當(dāng)FET關(guān)斷時(shí)，電流通過二次繞組，而一次繞組中卻沒有。因此，在反激式設(shè)計(jì)中，變壓器要儲(chǔ)存更多的能量，并且需要使用更多的銅來提供相同的輸出功率。

圖4對(duì)具有相同輸入、輸出規(guī)格的降壓轉(zhuǎn)換器電感器和反激變壓器的原、副邊繞組的電流波形進(jìn)行了比較。降壓轉(zhuǎn)換器電感器的波形在左側(cè)的單獨(dú)藍(lán)色框中，反激轉(zhuǎn)換器的原、副邊繞組在右側(cè)的兩個(gè)紅色框中。

對(duì)于各種波形來說，傳導(dǎo)損耗可以按均方根電流的平方乘以繞組電阻的方式來計(jì)算。因?yàn)榻祲恨D(zhuǎn)換器只有一個(gè)繞組，所以磁場中的總傳導(dǎo)損耗就是這一個(gè)繞組的損耗。然而，反激轉(zhuǎn)換器的總傳導(dǎo)損耗是原、副邊繞組損耗之和。此外，在相同的功率水平下，反激轉(zhuǎn)換器中磁性元件的物理尺寸要比倒置降壓設(shè)計(jì)更大。兩個(gè)元件的儲(chǔ)能均等于?L×IPK2。

對(duì)于圖4所示的波形，根據(jù)計(jì)算，倒置降壓設(shè)計(jì)所需存儲(chǔ)的電能僅為反激設(shè)計(jì)的1/4。因此，與相同功率的反激設(shè)計(jì)相比，倒置降壓設(shè)計(jì)的尺寸要小得多。

圖4：降壓拓?fù)渑c反激拓?fù)渲须娏鞑ㄐ蔚谋容^

當(dāng)不需要隔離時(shí)，反激拓?fù)洳⒉豢偸切」β孰x線應(yīng)用的最佳解決方案。倒置降壓拓?fù)溆捎诳梢允褂酶〉淖儔浩?電感器，因此可以提供更高的效率和更低的BOM成本。對(duì)于電力電子領(lǐng)域的設(shè)計(jì)人員來說，對(duì)于給定的規(guī)格，必須要考慮所有可能的拓?fù)浣鉀Q方案，從而確定最佳匹配。

審核編輯：湯梓紅