如何实现高功率密度的工业电源

工业电源必需满足一些特殊的要求，如低功耗（以减轻机箱冷却方面的负担）、高功率密度（以减小空间要求）、高可靠性和高耐用性，以及其它在普通电源中不常见的特性，如易于并联、遥控和某些过载保护功能等。同时，它对EMI|0">EMI和稳定性的要求也比其它应用更为严格。本文详细分析了一个400W电源的设计实例，阐释了初级端和次级端电源模块的运用，以及其它提高性能的方法。除了在电气方面的改进外，模块还采用统一的外形尺寸，便于实现精细紧凑的机械设计并减少安装和物流成本。事实上，两个模块可具有不同额定功率，从而大大缩短了上市时间。

功率因数校正级(PFC),加上总线或DC链路电容，对于许多无法单独优化的不同因素来说是十分关键的。现在，大部分电源都采用了有源PFC电路，亦即升压转换器，确保输入电流与输入电压同相，使输入端的正弦波失真最小化，从而减小传导EMI，实现宽输入范围（85VAC ~ 265VAC）。而且，这个升压转换器会根据输入电压调节自己的占空比和输入电流，并把总线电容的电压调节到350V ~ 400V。然而，如果升压转换器不是有源的（例如在启动状态），电流可能流经输入整流器，进入升压电感和二极管，再到空的总线电容，最终产生很大的浪涌电流。要避免这一问题，需要额外的限流电路，否则可能触发电网熔丝。在高可靠性或关键任务应用中，由于对保持时间和节电保护的要求更严格，因此总线电容必须增大，这使得浪涌电流变得更大。在某些情况下，需要一个NTC电阻，但在"热"启动（如停电）时，NTC仍然很热，不能提供保护。根据DIN-EN 61204标准，测试方法针对两种情况：70%的额定输入电压，20ms；以及40%的额定输入电压，100mS。第二种情况对没有有源PFC的电源而言可谓相当棘手。

脉宽调制级（PWM）是主要的转换器级。其中DC电压被斩波为更高频率的方波，因此利用更小的变压器就可以转换到另一个电压级并提供隔离。并非所有的拓扑都采用占空比变化的方波，有些拓扑采用的是变频，还有的则是改变两个脉冲序列之间的相位。这一级主要确定转换器的效率和负载调节。转换器效率十分重要，首先它关系电源的运行成本；其次是必须通过机箱冷却来散除产生的热量；第三是热组件越大，就越昂贵，占用空间也越大。这三个因素与电源的使用寿命成本关系重大。

图1 工业电源的各个不同级及每级的主要特性 转换器拓扑的选择对效率和辐射EMI都至关重要，因为功率开关越倾向于硬开关，产生的dI/dt和dV/dt就很大，同时电流和电压就越高，这会导致开关频率谐波的大量产生。在各种拓扑中，谐振或准谐振拓扑都颇具优势但较难设计，尤其是谐振拓扑，很难在宽泛的负载范围上实现。下文中描述的LLC拓扑具有在宽负载范围内有限的开关频率变化以及软开关，很容易解决这一问题。 PWM级也是所有必须保护功能的核心所在。在电流模式转换器的情况下，逐周期限流器可保护电源免受大部分输出问题的伤害，这些问题通常与热关断有关。 同步整流级（SR）把变压器产生的交流电压转换回直流电压。由于电压很低，电流往往相当高，故整流器的传导损耗必须最小化。若采用硅PN结二极管可以获得0.7V的正向电压，则采用肖特基二极管可达到0.4V。要获得更低的电压级就需采用MOSFET，这时电压级由导通阻抗RDS(ON) 和输出电流决定，且比前两种情况要低得多。但因为MOSFET是有源器件，故需要一个适当的栅极驱动信号来完成，如果设计良好，这一级的功耗可大幅度减小，从而进一步提高效率。此外，利用先进的低电感封装技术，设计还可以非常紧凑耐用。 连续传导模式(CCM)功率因数校正 输入整流器（图2中没有EMI滤波器）产生的输入电压被馈入到PFC电感中，此时后者的次级线圈为PFC控制IC提供供电电压。电感前面的电阻/电容网络可对输入电压进行采样。电感之后是带栅极保护电路的电源开关，PFC整流器为StealthTM 二极管。接下来使用一个电阻分压器来感测和调节PFC级的输出电压，反馈回路至此结束。总线电容也如图2所示，而二极管D1是一个额外的保护器件。 图2 PFC级的原理示意图 这里采用的控制器是FAN4810，该器件包含了先进的平均电流"升压"型功率因数校正实现电路，电源因此能够完全满足IEC1000-3-2规范的要求。它还包含了TriFault Detect功能，有利于确保不会因PFC中单个组件的故障造成不安全事件。1A的栅极驱动器又极大降低了对外部驱动器电路的需求。此外，它的功率要求很低，既提高了效率也降低了组件成本。该PFC还带有峰值限流、输入电压中断保护功能，还有一个过压比较器，可在发生负载突然减小事件时关断PFC部分。时钟输出信号可用来同步下游的PWM级，以减少系统噪声。 图3中，绿色曲线的较厚区域代表电流纹波，PFC IC在峰值输入电压下消耗电流较多，过零时没有电流。粉色曲线代表整流器输入电压，蓝色曲线为输出电压。