解析AC-DC電源設計

表1中的規格是對全部設計要求的簡單小結。主要設計目標如下：

1. 在盡可能寬的范圍上獲得最大效率。

2. 實現盡可能小的設計尺寸。

3. 散熱器的使用和尺寸最小化。

在盡可能寬的負載范圍上獲得最大效率需要對每一個功率水平的材料和元件選擇進行仔細考慮，尤其是在磁性設計方面。由于交錯式BCM PFC的頻率可能高至數百kHz，且變化多達10:1，升壓電感必需定制設計。采用適當等級的等效多股絞合線可以盡量減小AC損耗，而AC損耗正是BCM PFC升壓電感中銅損耗的主要部分。應該采用適合于高頻工作的開氣隙的鐵氧體材料，得的PFC效率如圖3所示。

圖3. 交錯式BCM PFC 測得的效率 (100%=330W)。

對于300W小型 AHB變壓器，一種解決方案是采用兩個水平磁芯結構：初級端繞組串聯，次級端繞組并聯。在一個不到20mm的小型元件上設計橫截面積150mm2的傳統形狀的磁芯是不可能的事情。最后一個重要設計步驟是把AHB變壓器中的漏電感量控制在允許范圍之內。對于ZVS，需要某些特定的漏電感值，對于自驅動SR，需要調節時序延遲。在本設計中因變壓器產生的有效泄漏被優化為7μH，也就是總體有效磁性電感的1.5%。300W AHB DC-DC轉換器測得的效率結果如圖4所示。

圖4. AHB 390V to 12V/25A，DC-DC 測得的效率(100%=300W)。

滿負載效率主要由轉換器功率水平的傳導損耗來決定，因此，在這些條件下，幾乎沒有一種控制器有所助益。不過，要保持較高的輕載效率，倒有好幾種控制器技術可供考慮。FAN9612是一款交錯式雙BCM PFC控制器，其利用一個內部固定最大頻率鉗位來限制輕載下和AC輸入電壓的過零點附近的與頻率相關的Coss MOSFET開關損耗。在AC線電壓部分VIN>VOUT/2期間，采用谷底開關技術來感測最佳MOSFET導通時間，進一步降低Coss電容性開關損耗。另一方面，當VIN

圖5. PFC 相位管理 (1→2, 19%=64W ;2→1, 12%=42W)。

AHB隔離式DC-DC轉換器的實現方案可采用AHB控制器FSFA2100來實現。這種先進的集成度讓設計人員利用較少的外部元件即可獲得高達420W的極高效率。把這三大關鍵功能整合在單個封裝中，可避免對ZVS所需的死區時間的編程任務，并把內部驅動器與MOSFET之間的柵極驅動寄生電感減至最小。SIP功率封裝中的功耗大部分源于內部MOSFET的開關，因此需要一個小型擠壓式散熱器，尤其是對無強制空氣冷卻的300W設計。

總的AC-DC 系統包括輸入EMI濾波器、橋式整流器、交錯式BCM PFC 和 AHB DC-DC，它獲得的總體效率如圖6所示。在Vin=120VAC時，該設計峰值效率為91%;Vin=230VAC 時為92% ;Vin=120VAC 或 230VAC ，以及POUT>38% (114W)時，大于90%。

圖6. 測得的總體系統效率(包含了EMI濾波器)。

磁性元件設計、功率半導體選擇、PCB版圖、散熱器選擇以及控制器特性，所有這些都必須完全協同工作，才能成功實現一個在大負載范圍上可獲得高效率的小型AC-DC電源設計。對于一個特定應用，根據系統的具體要求，可能有一個以上的理想解決方案。