延长导通时间可减小输入电容容量

对比以上两条曲线可以明显确定，与DCMFF(固定频率占空比限制)设计相比，导通时间延长方案可以使功率转换器在较低的输入电压下输出更高的功率(参见图4)。

通过这两条曲线还可以看到，对于输出端50％的负载，DCMFF可以维持直流总线电压降至大约69V的稳压，而DCMDE转换器则可以维持低至31.5V的稳压。因此，DCMDE方法使电源能够为内存备份操作提供更长的维持时间，充分利用储仔于输入电容中的能量。

 

直流输入总线滤波电容值的选择

如图6所示，直流总线滤波电容可以用来将转换器阶段的输入电压维持在等于或高于Vmin值的水平，使转换器可以保持工作并维持稳压。参考文献[1]、[2]和[3]中提供有计算这一电容值的详细方法。转换器在td期间所需的能量由放电电容提供。所需的电容值可以通过公式(4)进行估算。




90VDC或100VDC的值是转换器最小直流总线电压的最佳选择，这一点在参考文献[3]中已有说明。Vmin值进一步减小有助于降低输入端所需的电容值，但这也会导致初级绕组中的峰值电流大幅升高，并且还需要过大设计电路中的开关元件。

如果开关电源必须保持工作并在干扰期间提供稳压输出电压，则必须对其输入电容进行选择，以使最小输入RMS电压比额定电压低30％，即120V系统的最小输入RMS电压约为84 VAC(参见公式(5)和公式(6))。



在任何给定输入电源电压情况下，时间td是工作频率的函数(参见图6)。

图7和图8显示了在不同转换器工作频率下的不同最小直流总线电压值(Vmin)所需的输入电容估计值。三组曲线分别表示：不需要任何维持的条件下的额定电容；4 ms的维持时间；输入电源线电压频率的一个半周期的维持时间。

对于正常工作情况或存在短时间电源线干扰的工作情况，图7和图8提供了易于使用的倍增系数，用于计算所需的电容值。此电容的值称为Cn或额定电容。

用于在断电序列期间维持稳压的直流总线电压最小值可以从图4得出，或使用公式(1)和公式(2)计算得出。然后，可以使用公式(7)来计算输入端所需的电容值，以确保在完成断电序列期间能够提供足够长的维持时间。



Ch=完成断电序列或内存备份所需的电容
PR=在断电序列期间降低的输出功率水平
ηR=功率水平降低时的转换器效率
th=断电序列的持续时间
Vs=断电序列开始时的直流总线电压
Ve=功率降低时维持稳压所需要达到的直流总线电压
如果Ch远远大于Cn，则必须使用较高的值。可以通过提高Vmin来减小计算的Cn和Ch值之间的差异。

对于设计用于在低至100VDC的直流总线电压下工作且必须在低至47Hz的频率下工作的20W通用输入电源来说，正常工作情况下的输入电容值或Cn将大约为100μF，其前提是转换器效率超过85％(见图7)。

如果在输入电源失败后必须至少在35 ms的时间内提供稳压电源(以便完成EEPROM写周期)，那么电容Ch中必须具备足够的能量。

如果内存备份期间所需的负载为10 W(满载的50％)，且电源采用最大占空比为50％、固定频率100 kHz控制器设计而成，那么所需的电容值将为172μF，该值可以使用公式(1)、公式(4)或图4计算得出。

如果将此电源的控制方案修改为使用导通时间延长技术，则所需的Ch值可大幅减少到100 μF，使用公式(4)或图4可以计算出该值。因此，无需扩充输入电容便能满足延长的(35ms)功率要求。

在前面的示例中，假设在较低直流电压和50％的负载条件下运行时转换器功率降至78％(在实际设计中，这一点可经过全面验证)。

导通时间延长技术的限制

虽然导通时间延长可显著提高反激式电源的功率输出，但必须注意的是，不要让电源在延长的导通时间下无限期地运行。导通时间在超过正常极限之外的任何延长均会导致RMS电流的增加，从而导致MOSFET及初级绕组上的功率全部耗尽。

结语

电源需要配备正确容量的输入电容，这样可以确保在电源线干扰期间仍能够正常运行，并可在检测出输入故障之后，提供足够时间的稳压电源，确保关键数据在关断之前得以储存。如果使用的是带导通时间延长功能的集成开关，则在本应用中可大幅减小输入电容的容量。本文所列举的示例表明，DCMFF技术(不含导通时间延长设计)需要更高的输入电压才能输出与DCMDE技术(含导通时间延长设计)同等数量的功率，在低于设计的最小直流电压下工作时更是如此。导通时间延长是Powei Integrations的离线式开关IC中集成的众多功能之一，设计师采用这些IC可以设计出更为高效和更具成本效益的电源产品。