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諧振電源轉(zhuǎn)換器??音頻應(yīng)用的絕佳選擇

發(fā)布日期:2022-07-14 點(diǎn)擊率:75

esh de Silva博士
高級(jí)應(yīng)用工程師
英商康橋半導(dǎo)體公司


新型諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及降低EMI的特定技術(shù),可以利用具有高效、空載和尺寸優(yōu)勢(shì)的SMPS實(shí)現(xiàn)一個(gè)音頻電源,而且產(chǎn)生的EMI水平也非常低。


音響設(shè)備制造商正處在成長(zhǎng)的市場(chǎng)當(dāng)中,他們面對(duì)著提高普遍依賴線性電源的產(chǎn)品效率和空載功耗的商業(yè)壓力。線性電源非常適用于音頻應(yīng)用:無(wú)需嚴(yán)格穩(wěn)壓、紋波和保護(hù)規(guī)范的低成本應(yīng)用通常需要低電磁輻射和設(shè)計(jì)時(shí)間最短的電源頻率變壓器。但是,這些電源還會(huì)受到非常低的平均效率和高空載功耗的影響,所以需要努力滿足如能源之星和CEC的當(dāng)今主要認(rèn)證要求。


例如,一個(gè)典型12 W線性電源的平均效率大約為63%,而到今年晚些時(shí)候提議中的能源之星V2要求是77.8%。大約1.5 W的空載功耗也難以滿足該標(biāo)準(zhǔn)要求的300 mW目標(biāo)。體積龐大的線性電源,特別是在較高功耗時(shí),正變得日益昂貴,因?yàn)橛糜陔娫搭l率變壓器的銅和鋼等全球商品價(jià)格還在急劇上升。


雖然低EMI通常是用于音頻市場(chǎng)的線性電源的最有吸引力的特點(diǎn),但是經(jīng)過整流輸出的兩倍電源頻率交流分量的存在可能造成某些應(yīng)用出現(xiàn)人耳可聽見的“交流哼聲”(hum)。而且,隨著負(fù)載的增加和輸入電壓的下降,這種通常越來(lái)越嚴(yán)重現(xiàn)象將使音質(zhì)惡化。


音頻應(yīng)用的SMPS


為了克服這些效率和EMI方面的困難,音頻電源制造商正在積極尋找替代線性電源的方法,也在將注意集中到普通SMPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如反激式和RCC。這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可提供更高的效率、更低的待機(jī)功耗和其他功能,如過壓、過流和過溫保護(hù)。SMPS還可以提供嚴(yán)緊的負(fù)載和輸入穩(wěn)壓,而無(wú)需使用二次穩(wěn)壓電路。由于具有嚴(yán)緊控制輸出V-I的特點(diǎn),這些類似的方法可以進(jìn)行編程來(lái)實(shí)現(xiàn)許多音頻系統(tǒng)要求的峰值負(fù)載能力。


不過,在另一方面,SMPS需要較高的材料成本,而且設(shè)計(jì)時(shí)間較長(zhǎng),使之成為了在具體地域市場(chǎng)的低成本、大批量應(yīng)用中替代線性電源的不那么具有吸引力的選擇。由于快速開關(guān)瞬變,過多電磁噪聲的存在也是一個(gè)主要障礙,因?yàn)槠鋵?dǎo)致的傳導(dǎo)和電磁輻射顯著影響了音頻信號(hào)。為了克服這個(gè)弊端,通常需要在SMPS控制器的鐵芯中采用昂貴的EMC抑制濾波器以及EMI減少技術(shù)。


其中一個(gè)技術(shù)是利用來(lái)自音頻系統(tǒng)的同步脈沖來(lái)動(dòng)態(tài)改變SMPS的工作頻率,以遠(yuǎn)離瞬間的射頻,進(jìn)而減少干擾。開關(guān)頻率抖動(dòng)處理或展頻調(diào)制是另一個(gè)經(jīng)常使用的方法,以展開噪聲的波譜能量,同時(shí)保持系統(tǒng)的整體效率。不過,即使有廣泛的濾波和先進(jìn)的控制技術(shù),要實(shí)現(xiàn)大多數(shù)音頻系統(tǒng)所需的非常低的EMI水平,提供預(yù)期的信噪比可能都是極其困難的。


取代線性電源的諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)


諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可提供一種商業(yè)可行的電源方案,以克服線性和通用SMPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的局限性,同時(shí)滿足最新的效率和空載功耗要求,產(chǎn)生的EMI也很低。由于其正弦開關(guān)波形,通過在近零電壓和電流的開關(guān)方法可以最大限度地降低開關(guān)損耗,以提供高效率和產(chǎn)生最小限度的EMI。但是,直到最近,由于固有的控制難度和隨之而來(lái)的高材料成本,諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還沒有在商業(yè)上用于消費(fèi)者電子產(chǎn)品市場(chǎng)的低功耗應(yīng)用。


新型單開關(guān)諧振非連續(xù)正激轉(zhuǎn)換器(RDFC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以為SMPS提供效率、空載和尺寸優(yōu)勢(shì)而不增加成本,還具有額外的安全和保護(hù)功能。更重要的是對(duì)于音頻及其他EMI敏感的應(yīng)用,如無(wú)繩電話適配器和調(diào)制解調(diào)器/路由器電源來(lái)說(shuō),該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為諧振電源轉(zhuǎn)換器提供了自然的低EMI。


由于在開關(guān)期間沒有能量存儲(chǔ)在正激模式變壓器內(nèi),正激式轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還有助于減小變壓器鐵芯的尺寸。這本身就是一種成本優(yōu)勢(shì),而且無(wú)需使用次級(jí)續(xù)流二極管和扼流圈,使該解決方案在低功耗方面更具有商業(yè)吸引力。


圖1所示為RDFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要元件。輸入端的整流交流電壓是由Cin平流并施加于正激模式變壓器。當(dāng)初級(jí)開關(guān)電路關(guān)閉時(shí),同一個(gè)導(dǎo)電相位(conduction phase)的功率從初級(jí)傳輸?shù)酱渭?jí)。通過初級(jí)晶體管的電流波形由流經(jīng)漏感和磁化電感的電流組成。漏電流分量通常處于支配地位,而且會(huì)出現(xiàn)在次級(jí)二極管上。



圖1


圖1  RDFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要元件,其中的諧振電路由一個(gè)作為初級(jí)開關(guān)的BJT和諧振電容器Cres組成。諧振電容器Cres 與變壓器磁化電感進(jìn)行“諧振”,以實(shí)現(xiàn)全諧振開關(guān)。


當(dāng)初級(jí)開關(guān)電路關(guān)閉時(shí),流經(jīng)變壓器的總電流轉(zhuǎn)移到諧振電容器CRes上,這些電容器包括變壓器線圈電容器和初級(jí)晶體管輸出電容器。該諧振電容器與變壓器漏感(LLeak)以及磁化電感(LMag)形成了一個(gè)諧振電路。




諧振頻率可通過公式1和2計(jì)算:



公式1和2


這里的fRes1是來(lái)源于變壓器漏感的諧振頻率,fRes2是來(lái)源于變壓器磁化電感的諧振頻率。由于漏感小于磁化電感,則公式1中的諧振頻率要比公式2中的更高。


由CamSemi開發(fā)的一款先進(jìn)的混合信號(hào)控制IC可以保證RDFC電路在負(fù)載變化條件下運(yùn)行于最佳性能水平。C2470系列控制器通過三個(gè)主要控制機(jī)制實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn):



  • 諧振控制檢測(cè)諧振波形,以發(fā)現(xiàn)近零導(dǎo)通和關(guān)斷電壓,來(lái)決定下一個(gè)開關(guān)周期的最佳導(dǎo)通時(shí)間。


  • 電源控制是通過檢測(cè)開關(guān)電流并將它限制在過載條件以下,或者減少低負(fù)載條件下的導(dǎo)通時(shí)間,以最大限度降低空載功耗損失來(lái)實(shí)現(xiàn)的。


  • 基極驅(qū)動(dòng)控制可以在最佳電壓下動(dòng)態(tài)地保持功率晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)電壓,以減少導(dǎo)通損耗,最大限度地縮短關(guān)斷時(shí)間來(lái)降低開關(guān)損耗。


    RDFC控制器結(jié)合使用了這三種控制機(jī)制,來(lái)定義電源的五種主要工作模式,如圖2所示:



  • 正常模式——提供全諧振開關(guān),具有從大約20%到100%負(fù)載供電的固定占空比。


  • 待機(jī)模式——隨著負(fù)載的減小,控制器通過縮短導(dǎo)通時(shí)間和延長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間進(jìn)入這種模式,可以最大限度地降低空載功耗。


  • 過載模式——發(fā)生在高輸出負(fù)載時(shí),可限制峰值開關(guān)電流并縮短導(dǎo)通時(shí)間,同時(shí)保持全諧振操作。


  • 折返模式——發(fā)生在過大輸出負(fù)載時(shí),可將導(dǎo)通時(shí)間降至最小,同時(shí)增加關(guān)斷時(shí)間,以保護(hù)處于短路情況的電源。


  • 電源突發(fā)(Power Burst)模式——隨著占空比的增加,控制器進(jìn)入這種模式,周期性的折返模式有助于電源短路情況的恢復(fù)。



    圖2


    圖2  RDFC電源不同的工作模式可以保證在所有重要負(fù)載下的全諧振操作,以提供優(yōu)化的效率并減少EMI。




    用RDFC將EMI降至最低


    RDFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生的EMI水平非常低,可以滿足音頻應(yīng)用的嚴(yán)格規(guī)范,而且設(shè)計(jì)難度最小,所需的額外元件也很少。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正弦開關(guān)波形可消除快速開關(guān)瞬變和隨之發(fā)生的電磁輻射,如圖2所示,在所有重要負(fù)載期間保持全諧振操作,以確保低噪聲水平。


    RDFC中的諧振波形是疊加在未經(jīng)穩(wěn)壓的輸入電壓之上的。輸入電壓的波動(dòng)源于供電電壓波動(dòng)造成的諧振波形上下移動(dòng),從而使關(guān)斷時(shí)間出現(xiàn)波動(dòng)。由于占空比是固定的,這種關(guān)斷時(shí)間波動(dòng)造成了開關(guān)頻率的抖動(dòng),導(dǎo)致了EMI性能的進(jìn)一步改善。與同樣額定值的SMPS相比,上述兩個(gè)功能有助于實(shí)現(xiàn)15至20 dB以下電磁輻射的開關(guān)電源。幾乎所有高達(dá)20 W的消費(fèi)類應(yīng)用都不需要昂貴的EMC濾波器,在大多數(shù)情況下也不需要使用初級(jí)和次級(jí)側(cè)之間的Y2電容器。省去了Y2電容器可以最大限度地降低直接連接到音頻系統(tǒng)的變壓器次級(jí)側(cè)的交流哼聲,從而進(jìn)一步改善音質(zhì)。


    盡管諧振開關(guān)和頻率抖動(dòng)處理有EMI方面的好處,由于不太理想的變壓器表現(xiàn),低水平的電磁輻射仍然可能在RDFC方案中出現(xiàn)。從實(shí)際角度看,完全消除變壓器中的漏感是難以實(shí)現(xiàn)的,不論怎樣精心設(shè)計(jì)和構(gòu)建都是如此。


    在一個(gè)開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中,在初級(jí)開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)期間,大量的能量都存儲(chǔ)在漏感當(dāng)中。在一個(gè)典型的反激式解決方案中,這種泄漏能量將耗散在緩沖元件當(dāng)中,而在RDFC方案中,在導(dǎo)通狀態(tài)結(jié)束時(shí)能量被轉(zhuǎn)移到諧振電容器當(dāng)中。這引起了關(guān)斷時(shí)間期間一個(gè)值得注意的電壓階躍,這在過載條件下或較高功率的設(shè)計(jì)當(dāng)中非常明顯。盡管如此,這個(gè)電壓的上升通常要比典型反激式設(shè)計(jì)的關(guān)斷電壓瞬變低得多,這種瞬變會(huì)產(chǎn)生音頻系統(tǒng)不需要的電磁輻射。


    通過減少變壓器內(nèi)初級(jí)和次級(jí)的層數(shù)、縮短初級(jí)與次級(jí)的距離、使用巧妙繞制的全寬度繞組或使用更長(zhǎng)繞組寬度的線軸可以將漏感降至最小。不過,這些方法會(huì)導(dǎo)致初級(jí)和次級(jí)繞組之間寄生電容的增加,進(jìn)而增加從初級(jí)到次級(jí)的高頻噪聲電流。在所有的情況下,都需要仔細(xì)平衡減少漏感與過度避免增加寄生電容之間的影響。


    在RDFC方案中,在關(guān)斷間隔期間泄漏能量轉(zhuǎn)移結(jié)束之前次級(jí)整流器都不會(huì)關(guān)斷。一旦泄漏能量的轉(zhuǎn)移完成,次級(jí)整流器就會(huì)關(guān)斷,以迅速產(chǎn)生一個(gè)高dV/dt值的電壓階躍,而這時(shí)的電磁輻射通常在12至15 MHz之間。這種噪聲可以利用次級(jí)整流器兩端的R-C緩沖器成功消除,對(duì)電源效率的影響較小。


    變壓器降噪或衰減技術(shù)也可以用來(lái)進(jìn)一步減少電磁輻射。消除拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)內(nèi)共模傳導(dǎo)輻射的最受歡迎的技術(shù)是在初級(jí)和次級(jí)繞組之間放置一個(gè)繞組或箔屏蔽(foil screen)。現(xiàn)在,初級(jí)繞組流出的高頻電流經(jīng)過初級(jí)到次級(jí)寄生電容被該屏蔽收集起來(lái),并返回到電源導(dǎo)線。提供Vdd電源的次級(jí)繞組也可以有效地用作初級(jí)和次級(jí)繞組之間的一個(gè)屏蔽;換句話說(shuō),省去所需的額外屏蔽繞組或箔屏蔽,就可以降低材料成本。


    設(shè)計(jì)實(shí)例



    圖3


    圖3給出了一個(gè)采用RDFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及一個(gè)C2470控制器的離線式音頻電源的演示,其輸入電壓為230 Vac標(biāo)稱輸入,可以提供20 W連續(xù)和40 W峰值功率的單電壓12 V輸出。該單元的元件數(shù)非常少,并使用了比類似規(guī)格的反激式解決方案更小的變壓器。此外,與更常見的SMPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比,由于導(dǎo)通狀態(tài)電流的形狀,更低的RMS輸出電流可以降低輸出電容器的紋波電流要求。


    圖3  一個(gè)音頻電源演示,可以在高效率和低EMI條件下提供20 W連續(xù)和40 W峰值功率,適用于帶有CD播放機(jī)和FM收音機(jī)的低成本音頻產(chǎn)品。


    改進(jìn)的變壓器設(shè)計(jì)加上使用了一個(gè)次級(jí)緩沖器、初級(jí)開關(guān)周圍的屏蔽以及一個(gè)小型X2電容器減少了EMC。該變壓器的每個(gè)平衡分裂式(balanced split)次級(jí)繞組采用了箔屏蔽,有助于消除次級(jí)側(cè)的共模噪聲電流,最大限度減小了流經(jīng)寄生電容的初級(jí)到次級(jí)的噪聲電流。初級(jí)開關(guān)周圍的一個(gè)屏蔽可以阻止從連接到晶體管集電極的TO-220封裝的小片(tab)輻射出來(lái)的噪聲。





    表1:設(shè)計(jì)實(shí)例的主要規(guī)格
    表1:設(shè)計(jì)實(shí)例的主要規(guī)格


    表1列出了這個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例的主要規(guī)格,包括88%的高平均效率和180 mW的低空載功耗,兩者均滿足了提議中的能源之星V2規(guī)定的重要裕量。圖4是效率與輸出電流圖的對(duì)比,顯示了在5%負(fù)載條件下最低70%效率的高低負(fù)載效率,它是工作在非常低的額定功率水平的音頻系統(tǒng)的理想選擇。



    圖4


    圖4  高轉(zhuǎn)換效率可在80 mA條件下保持70%的整個(gè)負(fù)載范圍,在1.6 A額定負(fù)載條件下為88%,3.2 A峰值負(fù)載條件下為81%。



    圖5


    圖5所示為在最差情況下輸出電源負(fù)端接地時(shí)傳導(dǎo)EMI的結(jié)果。這些圖說(shuō)明了這個(gè)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)低于EN55022準(zhǔn)峰值和平均極限最少20 dB的裕量。


    圖5  最差情況下輸出負(fù)端接地時(shí)傳導(dǎo)EMI的結(jié)果,顯示在整個(gè)150 kHz至30 MHz的EN55022范圍測(cè)量的裕量大于20 dB。


    這里討論的諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和EMI減少技術(shù)非常適用于帶有CD播放機(jī)和FM收音機(jī)的消費(fèi)類音頻產(chǎn)品,而對(duì)于帶有AM接收機(jī)的應(yīng)用還需要進(jìn)一步減少EMI。這可以利用優(yōu)化變壓器設(shè)計(jì)、仔細(xì)選擇EMC濾波器和對(duì)產(chǎn)生電磁輻射的具體元件的額外遮蔽來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖6所示為符合AM應(yīng)用的典型RDFC電源設(shè)計(jì),它已經(jīng)進(jìn)行了一些修改。其產(chǎn)生的EMI低于15 dBμV,這是使用一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EMC接收器難以測(cè)量到的。



    圖6


    圖6  帶有AM的RDFC設(shè)計(jì)產(chǎn)生的EMI非常低,幾乎沒有超過業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的EMC接收器的引人注目的背景噪聲。


    作者簡(jiǎn)介


    Mahesh de Silva博士是英商康橋半導(dǎo)體公司(CamSemi)的高級(jí)應(yīng)用工程師,在早期供職的幾家公司及行業(yè)項(xiàng)目中積累了近10年先進(jìn)功率電子器件方面的經(jīng)驗(yàn)。他發(fā)表了超過20篇國(guó)際論文,獲得了電源管理領(lǐng)域的多項(xiàng)專利。他持有斯里蘭卡Moratuwa大學(xué)的科學(xué)學(xué)士學(xué)位,以及英國(guó)劍橋大學(xué)電子工程博士學(xué)位;也是IEEE和IET(以前叫IEE)的成員。


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