本文分析了設計電信和分布式電源系統(tǒng)(DPS)中使用的DC/DC轉(zhuǎn)換器時需要滿足的一些要求。電信DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為直流36V~75V。目前,分布式電源系統(tǒng)通常使用48V中間母線電壓。這些系統(tǒng)輸出中使用的DC/DC轉(zhuǎn)換器有數(shù)個基本功能。其中主要功能是電壓電平轉(zhuǎn)換,主要用于降低至所需電平,同時具備必要的精度和良好的瞬態(tài)響應時間。因這些轉(zhuǎn)換器的位置與負載非常接近,所以稱為負載點(POL)轉(zhuǎn)換器。負載點轉(zhuǎn)換器的另一重要功能是隔離功能。電信應用需要1500V的輸入到輸出隔離電壓。
為滿足上述要求,中等功率負載點轉(zhuǎn)換器通常采用正激轉(zhuǎn)換器拓撲結構。 但是,采用正激轉(zhuǎn)換器會帶來某些難題,因此負載點轉(zhuǎn)換器的價格比反擊轉(zhuǎn)換器高。主要的問題是當輸入電壓范圍過大時,應該如何為PWM控制器供電。大多數(shù)PWM控制器的電源電壓最大額定值遠低于負載點轉(zhuǎn)換器的輸入電壓上限。解決這個問題有幾種方法。
首先可以用線性穩(wěn)壓器保持所需的電壓電平(圖1)。但是,這種解決方案會浪費能量,因此增加了轉(zhuǎn)換器的空載功耗。當然,價格也會提高。
另一個可行的解決方案是使用連接至變壓器的輔助繞組(圖2)。但是,占空比會隨著輸入電壓和負載的變化而變化,因此所保持的電源電壓變化范圍也非常大。此外,還需要在輸出端連接仿真負載,以便在拔出轉(zhuǎn)換器負載時控制器能繼續(xù)工作,因為這種情況下的占空比非常小。這種解決方案要求的空載功耗和變壓器的復雜程度均較高,因此它的低價格也抵銷不了這個缺點。
前兩種解決方案都存在一個共同的缺點:這就是電源電壓在過載情況下仍然存在。 因此,在過載情況下需要建立獨立于控制器電源電壓的過載保護。這種要求會提高價格,并且增加了轉(zhuǎn)換器的復雜程度。
為確保電源電壓對整個負載都有合理的穩(wěn)定性,同時確保有效的過載保護,我們需要把輔助繞組連接至轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)壓電感(圖3)。這種解決方案的一大缺點是需要兩個隔離完善的變壓器。因此,轉(zhuǎn)換器的復雜程度和價格再次上升。
安森美半導體憑借在電源轉(zhuǎn)換領域的經(jīng)驗,推出了型號為NCP1216A的產(chǎn)品,專門用于解決上述問題的器件。
NCP1216A采用高壓技術,不再存在控制器電源問題,因為該器件可以直接通過其高壓引腳由中間母線電壓供電,該引腳的最高額定電壓值為500V。該控制器的電源電壓通過動態(tài)自供電(DSS)技術從此引腳引出。該技術的內(nèi)部布局如圖4所示。
從圖中可以看出,當Vcc電壓過低并對外部電容充電時,內(nèi)部高壓(HV)電流源打開。當此電容上的電壓足夠高時,高壓電流源將關閉。通過這種方法,電源電壓受到2.2V紋波(圖5)影響,將滯后穩(wěn)壓至11V的平均值。
用戶無需使用任何無源穩(wěn)壓器(電阻和齊納二極管)或帶仿真負載的輔助繞組,因此元件數(shù)量減少。此外,空載情況下的大部分時間內(nèi),高壓電流源處于關閉狀態(tài),因此空載功耗迅速減少。Vcc電源電壓的循環(huán)也用于建立過載保護方案,這將在下一段中闡述。
內(nèi)置過載保護是NCP1216A控制器的又一優(yōu)點。該保護通過反饋引腳工作監(jiān)視實現(xiàn)(請參見圖6和圖7,以便更好地理解這功能)。
過載情況發(fā)生時,反饋引腳電壓被內(nèi)部電阻拉高。此電壓達到4.2V電平時,內(nèi)部故障標記被斷定。如果Vcc下降期間故障消失,那么控制器不會中斷工作。如果Vcc電壓達到Vcc導通電平時,故障標記依然有效,那么控制器停止工作并且將在另一個Vcc周期中嘗試恢復:控制器在突發(fā)模式下工作,這意味著過載情況下的功耗較低。
從圖6可以看到,NCP1216A控制器的操作簡單,而所需的外部元件數(shù)量最少。裝有該控制器的DC/DC轉(zhuǎn)換器自然受到短路保護,而且在空載情況下功耗低,無需為了保持Vcc而增加仿真負載。
把NCP1216A應用于36W DC/DC電路板,在3A最高輸出電流之下提供12V輸出,該器件在48V輸入電壓電平的測量性能如下:效率:86.5%,空載待機能耗:93mW。