RDFC——低成本单电压输入开关电源

离线式 AC/DC 电源厂商日益感受到成本增加的压力,必须停止生产体积大、效率低的线性电源转换器,并以结构更小、更轻及效率更高的开关电源(SMPS)产品来取代。

反激式(Flyback)及自激式转换器(Ringing choke converter, RCC)是两种最常用的SMPS产品,适合用于全区域输入充电器和适配器。它们能满足市场对于节能的需求,但是从商业角度来说,对于特定市场的低价且量产的产品来说,并不是线性电源理想的替代方案。反激式及自激式转换器被公认为是成本昂贵,且设计线路更为复杂的解决方案。特别是在音响、无绳电话和网络设备等需要额外滤波电路的应用上,更需要高水平的设计能力。因此,许多消费电子制造商并不愿意引入SMPS拓朴。

不过,新型单开关组件的谐振非连续正激式转换器(Resonant Discontinuous Forward Converter, RDFC)拓朴的出现,会让制造商愿意重新审视他们的决定。这个新方案为耗电量低于60W的设备与低成本SMPS结构之间搭起了一座桥梁,它能够提供高效率、低待机功耗且小尺寸的SMPS拓朴结构,而其电路设计更为简单,且系统成本与同等级的线性电源转换器差不多或更低。

这项技术提供了更具有成本效益的方法,并可通过以下特点来增加SMPS拓朴的效能：

·谐振转换时产生很低的EMI：这个方法最适合用在音响及其它对EMI要求严格的应用,反激式设计需要复杂的次级滤波电路,以符合低EMI的要求。

·零电压切换：提供更高的电源转换效率,远优于现有能源之星(Energy Star)或其它监管机构的要求标准。

· 使用成本低廉的三极管电源开关：一般而言,三极管电源开关的成本只有反激式SMPS拓朴中所使用的快速MOSFET开关价格的25%~30%。然而这种结构也有其设计难点,如需要开发新的精密混合信号控制器,确保电源供应,不管负载如何变化,都可以一直以最佳效率运行,且平均电源转换效率超过80%,无负载功耗低于100 mW。

RDFC-低成本开关电源

如同反激式技术一样,正激式转换器在超过100W的AC/DC离线式电源方面仍然是非常受欢迎的结构;由于在适配器铁氧体芯内不存储能量,与反激式技术相比,在铁芯的尺寸上缩小了许多。然而此方法没有用在较低的电源应用上,这是因为在传统结构的应用中,需要配有输出扼流圈和续流二极管(Free Wheel Diode, FWD)才能运作。

谐振非连续正激式不仅具有适配器铁芯较小的优点,同时也不需要输出扼流圈和续流二极管,对于6W~60W的市场,此方案更具有商业吸引力。RDFC的简化电路如图1所示。 次级侧电路中只有一个正向二极管和输出电容器,加上初级侧电感和谐振电容所形成的谐振电路与开关。

图1 RDFC拓扑的简化电路图

正激式转换器只是通过适配器匝数比(Turns Ratio)函数的结果稳压,也就是说输出电压可以由输入电压及适配器匝数比计算出来。换言之,它没有反馈电路且不需要光学耦合器,这样就节省了系统和制造成本,并容易通过安全认证。RDFC结构也不会导致输出电压上升至不安全的范围,而如果反激式在反馈回路出现故障时,就会发生此情况。

反激式拓朴中硬切换的特性,在电压和电流切换波形内往往因存在高频成分而产生大量的电磁噪声。为了符合EMI规定,适配器必须小心地构建,并加上昂贵的Y电容及共模扼流圈以减少噪声耦合,这些都是实际操作中的额外电气成本。

RDFC实现中的半正弦(谐振波形)没有这类高频成分。这减少了电源的噪声,且具有高达20W的输出电源供应能力,而不需要Y电容来进行滤波。

半正弦的电压峰值变化,是因为电源输入大型充电电容上的电压波动所致。电压中的微小变化耦合到大电容电感上,引起了像自然抖动的开关频率移位,进一步改善了RDFC的EMI性能。

来源：电子设计应用