源來如此 | 如何利用自偏置轉(zhuǎn)換器簡化交流/直流反激式設(shè)計
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本期，我們將介紹自偏置轉(zhuǎn)換器的詳細知識
市場對更小、更輕、更高效的交流/直流 USB 供電 (PD) 充電器的需求一直是電源設(shè)計工程師面臨的挑戰(zhàn)。在 100W 以下，準諧振反激結(jié)構(gòu)仍然是主要的拓撲結(jié)構(gòu)，氮化鎵 (GaN) 技術(shù)可以進一步提高功率密度和效率。
然而，為主控制器提供偏置功率需要變壓器上的輔助繞組以及整流和濾波電路。更糟糕的是，USB PD 充電器的輸出電壓范圍很廣。例如，USB PD 標準功率范圍涵蓋 5V 至 20V 輸出電壓，而最新的 USB PD 擴展功率范圍支持的輸出電壓高達 48V。
由于輔助電壓與輸出電壓成正比，主控制器上的偏置電壓范圍將擴大，因此需要額外的電路，而且還會降低效率。這個電源設(shè)計小貼士將介紹一種自偏置反激式轉(zhuǎn)換器解決方案來應(yīng)對這些設(shè)計挑戰(zhàn)。
處理寬偏置電壓
圖 1、圖 2、圖 3 和圖 4 顯示了在 USB PD 充電器應(yīng)用中處理寬偏置電壓范圍的四種不同方法。傳統(tǒng)方法包括使用線性穩(wěn)壓器、抽頭輔助繞組，甚至通過增加一個額外的直流/直流開關(guān)轉(zhuǎn)換器來調(diào)節(jié)偏置電壓。所有這些方法都會增加元件數(shù)量，增加成本或功率損耗，而自偏置完全消除了外部元件并提高了效率。
圖 1：采用離散線性穩(wěn)壓器且具有寬輸出電壓范圍的應(yīng)用的偏置電路
圖 2：采用抽頭輔助繞組且具有寬輸出電壓范圍的應(yīng)用的偏置電路
圖 3：采用升壓轉(zhuǎn)換器且具有寬輸出電壓范圍的應(yīng)用的偏置電路
圖 4：采用自偏置 VCC 且具有寬輸出電壓范圍的應(yīng)用的偏置電路
VCC 自偏置
反激式控制器總是可以直接從整流的交流輸入電壓中獲得偏置功率，但這會導(dǎo)致功率損耗過大。自偏置的關(guān)鍵是從功率級收集能量，這些能量可以來自兩個來源。一個是開關(guān)節(jié)點電容器存儲的能量；另一個來源是存儲在變壓器的初級側(cè)繞組中的能量。如圖 5 所示，根據(jù)輸入和輸出條件，集成的自偏置電路理想情況下可以從這兩個來源獲取能量。
圖 5：自偏置電路從開關(guān)節(jié)點電容或磁化電感中獲取能量
圖 6 顯示從開關(guān)節(jié)點電容器收集到的能量。這樣就可以在每個開關(guān)周期中回收開關(guān)節(jié)點電容器中存儲的能量，從而提高效率。在交流低線路輸入等情況下，當反射輸出電壓與輸入電壓相同時，將發(fā)生自然零電壓開關(guān)，并且開關(guān)節(jié)點電容器中沒有能量，此時，電感能量收集將發(fā)揮作用，其中一小部分初級側(cè)開關(guān)電流通過內(nèi)部路徑定向到VCC 電容。
圖 6 ：VCC 自偏置工作：(a) 在開關(guān)節(jié)點上收集電容器能量以及 (b) 通過初級側(cè)電流收集電感能量
實現(xiàn)無輔助檢測
許多反激式控制器都使用輔助繞組來檢測輸入和輸出電壓，并檢測輸出過壓或輸入欠壓等情況。借助自偏置反激式轉(zhuǎn)換器，可以使用開關(guān)節(jié)點電壓進行輸入和輸出電壓檢測。如圖 7 所示，檢測到的電壓為輸入電壓和反射輸出電壓之和。由于初級側(cè)繞組上的平均電壓為零，因此開關(guān)節(jié)點電壓的平均值等于輸入電壓。
對于輸出電壓檢測，它可以對反射輸出電壓進行采樣，并且需要使用電阻器可編程引腳 [德州儀器 (TI)UCG28826 中的 TR 引腳] 告知控制器變壓器的確切匝數(shù)比。
圖 7：無輔助電壓檢測，其中，檢測到的電壓是輸入電壓和反射輸出電壓之和
正確配置后，UCG28826 等自偏置器件可以準確提供各種保護，比如過功率和過壓保護。圖 8 顯示了 USBPD應(yīng)用中的 UCG28826。
圖 8：采用 UCG28826 的自偏置 USB PD 設(shè)計，該設(shè)計可以準確提供過功率和過壓保護等各種保護
圖 9 顯示了在單故障情況下，故意斷開反饋引腳后的過壓保護波形。對于標稱 20V 輸出，當輸出上升到約 24.4V 時，控制器會檢測輸出電壓并相應(yīng)觸發(fā)過壓保護。
圖 9：通過無輔助檢測實現(xiàn)過壓保護的示例。通道 1 (CH1) 為 Vout，通道 2 (CH2) 為 Vsw
原型設(shè)計和測試結(jié)果
圖 10 顯示了內(nèi)置 GaN 電源開關(guān)的 TI 通用交流輸入 65W 雙 USB Type-C 端口 USB PD 充電器參考設(shè)計。由于在 UCG28826 中簡化了自偏置特性并集成了 GaN 開關(guān)，因此，該參考設(shè)計在交流/直流級實現(xiàn)了 2.3W/cm3 的功率密度和 93.2% 的轉(zhuǎn)換效率。無輔助設(shè)計還簡化了變壓器制造并降低了成本。表 1 匯總了 65W 參考設(shè)計的設(shè)計參數(shù)。
圖 10：通用交流輸入 65W 參考設(shè)計電路板
表 1：通用交流輸入 65W 參考設(shè)計參數(shù)
簡化版 USB PD 充電器
通過與控制器和 GaN 開關(guān)進行高級集成，可以簡化 USB PD 充電器設(shè)計，但控制器的偏置電路和變壓器上的相關(guān)輔助繞組仍然存在，這會降低效率并影響尺寸和成本。
集成的自偏置電路可以消除電路的這一部分，并增加具有寬范圍輸出的電源的功率密度。此外，在變壓器上沒有輔助繞組的情況下，仍然可以實現(xiàn)適當?shù)妮斎牒洼敵鲭妷簷z測。
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