ZHCT491 February 2024 UCC28910
最常見的電源之一是離線電源，也稱為交流電源。隨著旨在集成典型家庭功能的產(chǎn)品越來越多，市場對輸出能力低于 1W 的低功耗離線轉換器的需求也日益增長。對于這些應用，最關鍵的設計方面是效率、集成和低成本。
在確定拓撲時，反激式拓撲通常是各種低功耗離線轉換器的首選。但是，在不需要隔離的情況下，這可能不是最佳方法。假設終端設備是一個智能照明開關，由用戶通過智能手機應用進行控制。在這種情況下，用戶在操作期間絕不會接觸到暴露的電壓，因此不需要隔離。
對于離線電源，反激式拓撲是一種合理的解決方案，因為它的物料清單 (BOM) 數(shù)量較少，僅需幾個功率級元件，并且變壓器可設計為支持寬輸入電壓范圍。但是，如果設計的最終應用不需要隔離該怎么辦？如果是這樣，考慮到輸入離線，設計人員仍想使用反激式拓撲。集成了場效應晶體管 (FET) 和初級側調節(jié)功能的控制器可提供小型反激式解決方案。
圖 1 顯示了使用具有初級側調節(jié)功能的 UCC28910 反激式開關的非隔離式反激拓撲的示例原理圖。雖然反激式拓撲是一種可行選擇，但與之相比，離線反向降壓拓撲的效率更高且 BOM 數(shù)量更少。在此電源設計小貼士中，我將探討在低功率交流/直流轉換中采用反向降壓拓撲的優(yōu)勢。
圖 1 這一非隔離反激式設計使用 UCC28910 反激式開關將交流電轉換為直流電，但離線反向降壓拓撲可以更高效地完成這項工作。圖 1 所示為反向降壓拓撲的功率級。與反激式拓撲類似，反向降壓拓撲包含兩個開關元件、一個磁性元件（單個功率電感器而不是變壓器）和兩個電容器。顧名思義，反向降壓拓撲與降壓轉換器類似。開關在輸入電壓與接地之間產(chǎn)生開關波形，然后開關波形通過電感/電容網(wǎng)絡濾除。區(qū)別在于，輸出電壓調節(jié)為低于輸入電壓的電勢。即使輸出低于輸入電壓并“浮動”，它仍能為下游電子器件正常供電。
圖 2 反向降壓功率級的簡化原理圖。將 FET 放在低側意味著它可以通過反激式控制器直接驅動。圖 3 所示為使用 UCC28910 反激式開關的反向降壓拓撲。一對一耦合電感器用作磁性開關元件。初級繞組用作功率級的電感器。次級繞組向控制器提供時序和輸出電壓調節(jié)信息，并為控制器的本地輔助電源 (VDD) 電容器充電。
圖 3 使用 UCC28910 反激式開關的反向降壓拓撲設計示例。反激式拓撲的一個缺點是能量在變壓器中的傳輸方式。此拓撲在 FET 導通時間內將能量存儲在空氣間隙中，并在 FET 關斷時間內將能量傳輸?shù)酱渭墏取嶋H變壓器在初級側會有一些漏電感。當能量傳輸?shù)酱渭墏葧r，剩余能量存儲在漏電感中。這種能量不可用，需要使用齊納二極管或電阻/電容網(wǎng)絡來耗散。
在降壓拓撲中，泄漏能量在 FET 關斷時間內通過二極管 D7 輸送到輸出端。這樣可以減少元件數(shù)量并提高效率。
另一項差異是每個磁體的設計和導通損耗。由于反向降壓拓撲只有一個繞組來傳輸電力，因此用于電力輸送的所有電流都流經(jīng)該繞組，這提供了良好的銅利用率。反激式拓撲的銅利用率沒有這么高。當 FET 導通時，電流將流經(jīng)初級繞組，但不會流經(jīng)次級繞組。當 FET 關斷時，電流在次級繞組上流動，而不會在初級繞組中流動。因此在反激式設計中，更多能量存儲在變壓器中，需要使用更多的銅才能提供相同大小的輸出功率。
圖 4 比較了具有相同輸入和輸出規(guī)格的降壓電感器以及反激式變壓器初級繞組和次級繞組的電流波形。左側單個藍色框顯示了?降壓電感器波形，右側兩個紅色框分別顯示了反激式拓撲的初級繞組和次級繞組。
對于每個波形，導通損耗的計算方式為均方根電流的平方乘以繞組的電阻。由于降壓拓撲只有一個繞組，因此磁性元件中的總傳導損耗就是一個繞組的損耗。而反激式拓撲的總導通損耗是初級繞組和次級繞組損耗之和。此外，與類似功率級別的反向降壓設計相比，反激式拓撲中磁體的物理尺寸更大。?任一元件的儲能均等于 ? L × IPK2。
對于圖 4 中所示的波形，我計算得出反向降壓拓撲需要存儲的功率僅為反激式拓撲的四分之一。因此，與功率相同的反激式設計相比，反向降壓設計的占用空間要小得多。
圖 4 降壓拓撲與反激式拓撲中電流波形的比較。當不需要隔離時，反激式拓撲不一定是低功耗離線應用的最佳解決方案。由于您可以使用可能更小的變壓器/電感器，因此反向降壓設計能夠以更低的 BOM 成本提供更高效率。對于電源電子產(chǎn)品設計人員，必須考慮所有可能的拓撲解決方案，以確定最適合給定應用的拓撲。