盡管大多數(shù)家電和辦公設備都是直接插入墻上的電源插座，由高壓交流電(AC)供電，但事實上其所有內(nèi)部電路都需要低壓直流(DC)。因此，電源必須把AC電壓轉(zhuǎn)換為低DC電壓。根據(jù) Ecos consulting 公司的研究結(jié)果表明，現(xiàn)在美國使用的AC/DC 電源大約為30億個，而全球約100億個。隨著這些電源的日益普及，和其對環(huán)境的影響加劇，全球各地都越來越關(guān)注電源效率的問題。美國加州能源委員會(California Energy Commission, CEC) 針對外部電源提出了強制性效率標準，而目前世界上采用自愿性規(guī)范計劃的地區(qū)也正在考慮制定強制性標準，以推動電源效率進一步提高。
外部電源中有一半以上是用于便攜式電子產(chǎn)品，比如筆記本電腦、手機和MP3播放器，因此它們具有用于電池充電的輸出電壓和輸出電流調(diào)節(jié)能力，如圖1所示。至于需要精確輸出電流調(diào)節(jié)的應用，電流檢測是必需的，但這卻會導致額外的損耗。在身處節(jié)能法規(guī)壓力不斷增加的環(huán)境之中，輸出電流檢測一直是電源設計人員面臨的一個艱巨挑戰(zhàn)。
圖1.傳統(tǒng)次級端調(diào)節(jié)反激式轉(zhuǎn)換器
在充電器設計中，電源的初級端調(diào)節(jié)可能是輕易滿足CEC效率要求的最佳解決方案，這是因為初級端調(diào)節(jié)只利用電源初級端的信息來精確控制輸出電壓和電流，不僅避免了輸出電流檢測損耗，還可省去所有次級反饋電路，有利于實現(xiàn)效率更高的電源設計，同時不會產(chǎn)生龐大的成本費用。
本文描述了初級端調(diào)節(jié)的基本工作原理，并介紹一款高集成度的初級端調(diào)節(jié)PWM控制器，相比傳統(tǒng)的次級端調(diào)節(jié)方案，這種技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢。
初級端調(diào)節(jié)的基本概念
圖2 所示為初級端調(diào)節(jié)反激式轉(zhuǎn)換器的基本電路示意圖及其典型波形。一般而言，斷續(xù)傳導模式(DCM)因輸出調(diào)節(jié)性能較好，是初級端調(diào)節(jié)的首選工作模式。初級端調(diào)節(jié)的關(guān)鍵在于如何在無直接檢測的前提下獲得輸出電壓和電流的信息。一旦獲得這些數(shù)值，通過傳統(tǒng)的PI控制方法就可以輕易進行控制。
在MOSFET導通時間(TON)內(nèi)，初級端電感(Lm)加載輸入電壓(VIN)。于是，MOSFET電流(Ids)從0線性增加到峰值(Ipk)。在這段時間內(nèi)，能量從輸入端轉(zhuǎn)移存儲在電感中。當MOSFET關(guān)斷時，存儲在電感中的能量促使整流二極管(D)導通。在二極管導通時間(TD)內(nèi)，輸出電壓(Vo)加載在次級端電感上(Lm′Ns2/ Np2)，二極管電流(ID)從峰值(Ipk′ Np/Ns)線性下降至0。在TD結(jié)束時，所有存儲在電感中的能量都釋放到輸出端。在此期間，輸出電壓和二極管正向壓降之和反射到輔助繞組端，表示為 (Vo+VF)′ Na/Ns。由于二極管正向壓降隨電流減小而減小，在二極管導通時間結(jié)束時，二極管電流減小為0，故這時輔助繞組電壓能最好地反映出輸出電壓。因此，通過在二極管導通時間結(jié)束時對繞組電壓進行簡單采樣，就可以得到輸出電壓的信息。二極管導通時間則可通過監(jiān)控輔助繞組電壓而獲得。
同時，輸出電流的估算需要一些乘法計算。假設輸出電流與二極管穩(wěn)態(tài)時的平均電流相等，輸出電流可利用下式估算：Io=Ipk′(Np /Ns)′(TD /2Ts)。這樣輸出電流估算器通過一個峰值檢測電路來獲取漏極電流峰值，并利用二極管導通時間 (TD) 計算出輸出電流。
圖2.初級端調(diào)節(jié)反激式轉(zhuǎn)換器及其典型波形
集成式初級端調(diào)節(jié)控制器
初級端調(diào)節(jié)PWM控制器如飛兆半導體公司的FAN102，是一種專門處理初級端調(diào)節(jié)電源設計的技術(shù)。這種技術(shù)可顯著簡化滿足更嚴苛效率要求的設計難題，并省去增加成本和可靠性問題的外部組件。利用FAN102，電源設計人員能夠輕易滿足能源之星(Energy Star) 和加州能源委員會(California Energy Commission, CEC)等現(xiàn)有及即將出臺規(guī)范的要求。FAN102還具有用于待機模式的綠色工作模式，并滿足國際能源署 (IEA) 1瓦倡議要求，1瓦倡議旨在把待機功耗降至1瓦以下。圖3給出了FAN102的內(nèi)部模塊示意圖。該器件帶有一個集成式輸出電纜壓降補償和外部組件溫度變化補償電路，對于充電器應用，即使在輸出電纜的末端也可獲得高精度調(diào)節(jié)。內(nèi)部振蕩器的抖頻則可減小EMI。FAN102的另一個重要特性是VDD范圍很寬，從5V到28V。當電源工作在恒定輸出流模式時，控制IC的供電電壓 VDD隨輸出電壓而變化。因此，VDD范圍決定了恒定電流控制的范圍，而且FAN102即使在輸出電壓低于四分之一額定值時也能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的恒定電流調(diào)節(jié)。
圖3.集成式電源開關(guān) (FSCQ 列) 內(nèi)部模塊示意圖
結(jié)語
在當前與新興能效規(guī)范以及市場需求的壓力下，電源設計人員正努力尋找更高效率和性能并更穩(wěn)健的解決方案，同時期望所有這些改進都不會產(chǎn)生任何額外的成本。飛兆半導體的初級端調(diào)節(jié)控制器有望大幅度提高未來AC-DC和DC-DC功率轉(zhuǎn)換器解決方案的總體性價比。
采樣和輸出估算技術(shù)的獨特結(jié)合可為AC適配器提供一種嚴格的調(diào)節(jié)和效率實現(xiàn)方案。無論是手機、無線電話以至MP3播放器，AC適配器都幾乎無處不需。現(xiàn)在，使用高效率且高性價比的半導體技術(shù)，便可以減小適配器的尺寸，降低成本，并提高效率。 |
