離線電源的反激拓撲解決方案

對于離線電源來說，反激拓撲是一種合理的解決方案。但是，如果設計的終端應用不需要隔離，那么與之相比，離線倒置降壓拓撲具有更高的效率，并且BOM數量更少。這篇電源設計的文章，將會探討倒置降壓對于小功率AC/DC轉換的優勢。

離線式電源是最常見的電源之一，也稱為交流電源。隨著越來越多的產品將典型的家庭功能集成在內，業界對輸出能力在1W以下的小功率離線轉換器的需求也越來越大。對于這些應用，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，反激拓撲通常是任何小功率離線轉換器的首選。但是，如果不需要隔離，這就可能不是最好的方法。假設終端設備是一個智能燈開關，用戶可以通過智能手機的app進行控制，那么在這種情況下，用戶在操作過程中不可能接觸到暴露的電壓，因此就不需要隔離。

對于離線電源來說，反激拓撲是一種合理的解決方案，因為其物料清單(BOM)數量較少，只有少數功率級元件，并且變壓器在設計上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，考慮到輸入是離線的，設計人員可能仍然想要使用反激拓撲。帶集成式場效應晶體管(FET)和初級側調節的控制器可以創建小型的反激解決方案。

圖1給出的非隔離反激轉換器的典型原理圖，使用帶初級側調節的UCC28910反激式開關電源 IC進行設計。雖然這個方案可行，但與反激電源相比，離線倒置降壓拓撲具有更高的效率，并且BOM數量更少。這篇電源設計的文章，將會探討倒置降壓對于小功率AC/DC轉換的優勢。

圖1：這種使用UCC28910反激開關電源IC的非隔離反激設計，可將AC轉換為DC，但離線倒置拓撲可以更有效地完成此項工作。

圖2畫出了倒置降壓的功率級。和反激電源一樣，它包含兩個開關元件、一個磁性元件(是一個功率電感器而不是變壓器)和兩個電容器。顧名思義，倒置降壓拓撲類似于降壓轉換器。開關產生一個介于輸入電壓和地之間的開關波形，然后通過電感電容網絡濾波。區別在于輸出電壓穩壓成低于輸入電壓的電位。即使輸出“浮動”在輸入電壓以下，它仍然可以正常為下游電子電路供電。

圖2：倒置降壓功率級的簡化原理圖

將FET設置在低側，反激控制器就可以直接對它驅動。圖3所示的倒置降壓拓撲使用UCC28910反激開關電源IC設計。1:1耦合電感器充當磁開關元件。一次繞組充當功率級的電感器。二次繞組為控制器提供定時和輸出電壓調節信息，并為控制器的本地偏置電源(VDD)電容器充電。

圖3：使用UCC28910反激開關電源IC的典型倒置降壓拓撲設計

反激拓撲的一個缺點是能量通過變壓器傳遞的方式。這種拓撲在FET的導通時間內將能量存儲在氣隙中，然后在FET的關斷時間內將其傳輸到次級。實際的變壓器在初級側會有一定的漏感。當能量轉移到次級側時，剩余的能量會存儲在漏感中。這個能量是不能用的，需要使用齊納二極管或電阻電容網絡進行耗散。

在降壓拓撲中，漏電能在FET的關斷時間內通過二極管D7傳遞到輸出端。這樣可以減少元器件數量并提高效率。

另一個區別是每個磁性元件的設計和傳導損耗。因為倒置降壓拓撲只有一個繞組來傳輸電能，所以所有的電能傳輸電流都會通過它，這就實現了良好的銅利用率。反激拓撲則不具有這么好的銅利用率。當FET導通時，電流通過一次繞組，而二次繞組中卻沒有。當FET關斷時，電流通過二次繞組，而一次繞組中卻沒有。因此，在反激式設計中，變壓器要儲存更多的能量，并且需要使用更多的銅來提供相同的輸出功率。

圖4對具有相同輸入、輸出規格的降壓轉換器電感器和反激變壓器的原、副邊繞組的電流波形進行了比較。降壓轉換器電感器的波形在左側的單獨藍色框中，反激轉換器的原、副邊繞組在右側的兩個紅色框中。

對于各種波形來說，傳導損耗可以按均方根電流的平方乘以繞組電阻的方式來計算。因為降壓轉換器只有一個繞組，所以磁場中的總傳導損耗就是這一個繞組的損耗。然而，反激轉換器的總傳導損耗是原、副邊繞組損耗之和。此外，在相同的功率水平下，反激轉換器中磁性元件的物理尺寸要比倒置降壓設計更大。兩個元件的儲能均等于?L×IPK2。

對于圖4所示的波形，根據計算，倒置降壓設計所需存儲的電能僅為反激設計的1/4。因此，與相同功率的反激設計相比，倒置降壓設計的尺寸要小得多。