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 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 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 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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