離線(xiàn)電源是最常見(jiàn)的電源之一，也稱(chēng)為交流電源。隨著(zhù)旨在集成典型家用功能的產(chǎn)品數量的增加，對所需輸出能力小于1瓦的低功率離線(xiàn)轉換器的需求也越來(lái)越大。對于這些應用程序，最重要的設計方面是效率、集成和低成本。

 

在決定拓撲結構時(shí)，反激通常是任何低功耗離線(xiàn)轉換器的首選。但是，如果不需要隔離，這可能不是最好的方法。假設終端設備是一個(gè)智能燈開(kāi)關(guān)，用戶(hù)可以通過(guò)智能手機的應用程序進(jìn)行控制。在這種情況下，用戶(hù)在操作過(guò)程中不會(huì )接觸到暴露的電壓，因此不需要隔離。

 

對于離線(xiàn)電源來(lái)說(shuō)，反激拓撲是一個(gè)合理的解決方案，因為它的物料清單（BOM）計數較低，只有少數功率級元件，并且變壓器的設計可以處理較寬的輸入電壓范圍。但是，如果設計的終端應用不需要隔離呢？如果是這樣的話(huà)，考慮到輸入是離線(xiàn)的，設計師可能仍然會(huì )想要使用反激。帶集成場(chǎng)效應晶體管（FET）和初級側調節的控制器會(huì )產(chǎn)生小的反激解決方案。

 

圖1顯示了使用帶初級側調節的UCC28910反激開(kāi)關(guān)的非隔離反激的示例示意圖。雖然這是一個(gè)可行的選擇，但與具有較低BOM計數的反激相比，離線(xiàn)倒置降壓拓撲將具有更高的效率。在這篇電源管理設計小貼士中，我將探討用于低功耗AC/DC轉換的倒置降壓。

圖2顯示了倒置降壓的功率級。像反激一樣，它有兩個(gè)開(kāi)關(guān)元件，一個(gè)磁性元件（單電源電感器而不是變壓器）和兩個(gè)電容器。顧名思義，倒置降壓拓撲類(lèi)似于降壓轉換器。開(kāi)關(guān)在輸入電壓和接地之間產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)關(guān)波形，然后由電感電容網(wǎng)絡(luò )濾除。區別在于輸出電壓被調節為低于輸入電壓的電位。即使輸出“浮動(dòng)”在輸入電壓以下，它仍然可以正常為下游電子器件供電。

 

圖2 倒置降壓功率級的簡(jiǎn)化示意圖。

 

將場(chǎng)效應晶體管放在低側意味著(zhù)它可以直接從反激控制器驅動(dòng)。圖3顯示了一個(gè)使用UCC28910反激開(kāi)關(guān)的倒置降壓。一對一耦合電感器作為磁開(kāi)關(guān)元件。一次繞組作為功率級電感器。二次繞組向控制器提供定時(shí)和輸出電壓調節信息，并為控制器的局部偏置電源（VDD）電容器充電。

 

圖3 一個(gè)使用UCC28910反激開(kāi)關(guān)的倒置降壓設計示例。

 

反激拓撲的一個(gè)缺點(diǎn)是能量通過(guò)變壓器傳遞的方式。這種拓撲在場(chǎng)效應管的接通時(shí)間內將能量存儲在氣隙中，并在場(chǎng)效應管的斷開(kāi)時(shí)間內將其傳輸到次級。實(shí)際的變壓器在初級側會(huì )有一些漏感。當能量轉移到次級側時(shí)，剩余的能量?jì)Υ嬖诼└兄?。這種能量是不可用的，且需要使用齊納二極管或電阻電容網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行耗散。

 

在降壓拓撲中，漏能通過(guò)二極管D7在場(chǎng)效應管斷開(kāi)期間傳遞到輸出端。這樣可以減少組件數量并提高效率。

 

另一個(gè)區別是每個(gè)磁性元件的設計和傳導損耗。因為一個(gè)倒置降壓只有一個(gè)繞組來(lái)傳輸功率，所以所有的功率傳輸電流都通過(guò)它，這就提供了良好的銅利用率。反激則不具有那么好的銅利用率。當場(chǎng)效應管接通時(shí)，電流通過(guò)一次繞組而不是二次繞組。當場(chǎng)效應管斷開(kāi)時(shí)，電流通過(guò)二次繞組而不是一次繞組。因此，更多的能量?jì)Υ嬖谧儔浩髦?，并且在反激設計中利用更多的銅來(lái)提供相同的輸出功率。

 

圖4比較了具有相同輸入和輸出規格的降壓電感器和反激變壓器的一次和二次繞組的電流波形。降壓電感器波形在左側的單個(gè)藍色框中，反激的一次繞組和二次繞組在右側的兩個(gè)紅色框中。

 

對于每個(gè)波形，傳導損耗計算為均方根電流平方乘以繞組電阻。因為降壓只有一個(gè)繞組，所以磁場(chǎng)中的總傳導損耗就是一個(gè)繞組的損耗。然而，反激的總傳導損耗是一次繞組和二次繞組損耗之和。此外，反激中磁場(chǎng)的物理尺寸將比在類(lèi)似功率水平下的倒置降壓設計更大。任一組件的儲能等于½ L × IPK2。

 

對于圖4所示的波形，我計算出倒置降壓只需要存儲反激所需存儲的四分之一的功率，因此，與同等功率的反激設計相比，倒置降壓設計的占地面積要小得多。

 

圖4 降壓和反激拓撲中電流波形的比較

 

當不需要隔離時(shí)，反激拓撲并不總是低功耗離線(xiàn)應用的最佳解決方案。倒置降壓可以提供更高的效率和更低的BOM成本，因為您可以使用一個(gè)可能更小的變壓器/電感器。對于電力電子器件設計人員來(lái)說(shuō)，重要的是要考慮所有可能的拓撲解決方案，以確定最適合給定規格的拓撲。

 

（來(lái)源：John Dorosa是德州儀器公司的應用工程師）