反向降压用于低功耗交流/DC转换的优势

原标题:低功率交流/DC转换的反向降压优势

反激式拓扑是离线供电的合理解决方案。然而，如果所设计的终端应用不需要隔离，离线反向降压拓扑具有更高的效率和更少的物料清单。这篇关于电源设计的文章将讨论用于低功率交流/DC转换的反向降压的优点。

离线电源是最常见的电源之一，也称为交流电源。随着越来越多的产品集成典型的家用功能，业界对输出容量低于1W的低功耗离线转换器的需求也在增加。对于这些应用，最重要的设计方面是效率、集成和低成本。

在决定拓扑时，反激式拓扑通常是任何低功耗离线转换器的首选。然而，如果不需要隔离，这可能不是最好的方法。假设终端设备是智能灯开关，并且用户可以通过智能手机的应用来控制它，在这种情况下，用户在操作期间不能暴露在暴露的电压下，因此不需要隔离。

对于离线电源，反激式拓扑是一种合理的解决方案，因为它的物料清单(BOM)数量少，只有几个功率级元件，并且变压器在设计中可以处理大范围的输入电压。然而，如果设计的终端应用程序不需要隔离呢？如果是这样，考虑到输入处于离线状态，设计人员可能仍然希望使用反激式拓扑。具有集成场效应晶体管(场效应晶体管)和初级侧调节的控制器可以产生小型反激式解决方案。

图1所示的非隔离反激式转换器的典型示意图是使用具有初级侧调节的UCC28910反激式开关电源集成电路设计的。虽然这种方案是可行的，但与反激式电源相比，离线倒降压拓扑具有更高的效率和更少的BOM。这篇关于电源设计的文章将讨论用于低功率交流/DC转换的反向降压的优点。

图1:这种使用UCC28910反激式开关电源集成电路的非隔离反激式设计可以将交流转换为DC，但离线逆变拓扑可以更有效地完成这项工作。

图2显示了反向降压的功率电平。与反激式电源一样，它包括两个开关元件、一个磁性元件(一个电源电感，而不是变压器)和两个电容。顾名思义，反向降压拓扑类似于降压转换器。开关在输入电压和地之间产生开关波形，然后通过电感电容网络进行滤波。不同之处在于输出电压稳定在低于输入电压的电位。即使输出“浮动”在输入电压以下，它仍然可以正常地向下游电子电路供电。

图2:反向降压功率级的简化示意图

反激式控制器可以通过将其设置在低端来直接驱动场效应晶体管。图3所示的反相降压拓扑采用UCC28910反激式开关电源集成电路设计。1:1耦合电感充当磁性开关元件。初级绕组充当功率级的电感器。次级绕组为控制器提供定时和输出电压调节信息，并为控制器的本地偏置电源(VDD)电容充电。

图3:使用UCC28910反激式开关电源集成电路的典型反相降压拓扑设计

反激式拓扑的一个缺点是能量通过变压器传输的方式。这种拓扑结构在场效应管导通时将能量储存在气隙中，然后在场效应管关断时将能量传递给次级线圈。实际的变压器在初级侧会有一定的漏电感。当能量转移到次级侧时，剩余的能量存储在漏电感中。这种能量不可用，需要使用齐纳二极管或电阻电容网络来耗散。

在降压拓扑中，在场效应晶体管关断期间，泄漏能量通过二极管D7传输到输出端。这可以减少组件数量并提高效率。

另一个区别是每个磁性元件的设计和传导损耗。因为反向降压拓扑只有一个绕组来传输电能，所以所有电能传输电流都将通过它，从而实现良好的铜利用率。反激式拓扑没有如此好的铜利用率。当场效应晶体管导通时，电流流过初级绕组，但不流过次级绕组。当场效应晶体管关闭时，电流流过次级绕组，但不流过初级绕组。因此，在反激式设计中，变压器需要存储更多的能量并使用更多的铜来提供相同的输出功率。

图4比较了具有相同输入和输出规格的降压转换器电感器和反激式变压器的初级和次级绕组的电流波形。降压转换器电感的波形位于左侧单独的蓝色方框中，反激式转换器的初级和次级绕组位于右侧的两个红色方框中。

对于各种波形，传导损耗可以通过均方根电流的平方乘以绕组电阻来计算。由于降压转换器只有一个绕组，磁场中的总传导损耗就是这个绕组的损耗。然而，反激式转换器的总传导损耗是初级和次级绕组损耗的总和。此外，在相同的功率水平下，反激式转换器中磁性元件的物理尺寸大于反相降压设计。两个元件的储能等于l × ipk2。

对于图4所示的波形，根据计算，反向降压设计所需的功率仅为反激式设计的1/4。因此，反向降压设计的尺寸比相同功率的反激式设计的尺寸小得多。

图4:降压和反激拓扑中电流波形的比较

当不需要隔离时，反激式拓扑并不总是低功耗离线应用的最佳解决方案。由于可以使用更小的变压器/电感器，反向降压拓扑可以提供更高的效率和更低的物料清单成本。对于电力电子领域的设计人员来说，必须考虑给定规格的所有可能的拓扑解决方案，以确定最佳匹配。