高功率密度工业电源的实现
来源： 作者： 发布时间：2015-03-01 10:25:05 浏览量：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。并工字电感器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。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电感器生产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。
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