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離線(xiàn)電源是最常見(jiàn)的電源之一，也稱(chēng)為交流電源。隨著旨在集成典型家用功能的產(chǎn)品數(shù)量的增加，對(duì)所需輸出能力小于1瓦的低功率離線(xiàn)轉(zhuǎn)換器的需求也越來(lái)越大。對(duì)于這些應(yīng)用程序，最重要的設(shè)計(jì)方面是效率、集成和低成本。
在決定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，反激通常是任何低功耗離線(xiàn)轉(zhuǎn)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(shè)終端設(shè)備是一個(gè)智能燈開(kāi)關(guān)，用戶(hù)可以通過(guò)智能手機(jī)的應(yīng)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(duì)于離線(xiàn)電源來(lái)說(shuō)，反激拓?fù)涫且粋€(gè)合理的解決方案，因?yàn)樗?u>物料清單（BOM）計(jì)數(shù)較低，只有少數(shù)功率級(jí)元件，并且變壓器的設(shè)計(jì)可以處理較寬的輸入電壓范圍。但是，如果設(shè)計(jì)的終端應(yīng)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(shè)計(jì)師可能仍然會(huì)想要使用反激。帶集成場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）和初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)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(jí)側(cè)調(diào)節(jié)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(jì)數(shù)的反激相比，離線(xiàn)倒置降壓拓?fù)鋵⒕哂懈叩男省Ｔ谶@篇電源管理設(shè)計(jì)小貼士中，我將探討用于低功耗AC/DC轉(zhuǎn)換的倒置降壓。
圖1 這種使用UCC28910反激開(kāi)關(guān)的非隔離反激設(shè)計(jì)可將AC轉(zhuǎn)換為DC，但離線(xiàn)倒置拓?fù)淇梢愿行У赝瓿纱隧?xiàng)工作。
圖2顯示了倒置降壓的功率級(jí)。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?fù)漕?lèi)似于降壓轉(zhuǎn)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(qū)別在于輸出電壓被調(diào)節(jié)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(jí)的簡(jiǎn)化示意圖。
將場(chǎng)效應(yīng)晶體管放在低側(cè)意味著它可以直接從反激控制器驅(qū)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(duì)一耦合電感器作為磁開(kāi)關(guān)元件。一次繞組作為功率級(jí)電感器。二次繞組向控制器提供定時(shí)和輸出電壓調(diào)節(jié)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(shè)計(jì)示例。
反激拓?fù)涞囊粋€(gè)缺點(diǎn)是能量通過(guò)變壓器傳遞的方式。這種拓?fù)湓?u style="color: rgb(51, 51, 51) !important;">場(chǎng)效應(yīng)管的接通時(shí)間內(nèi)將能量存儲(chǔ)在氣隙中，并在場(chǎng)效應(yīng)管的斷開(kāi)時(shí)間內(nèi)將其傳輸?shù)酱渭?jí)。實(shí)際的變壓器在初級(jí)側(cè)會(huì)有一些漏感。當(dāng)能量轉(zhuǎn)移到次級(jí)側(cè)時(shí)，剩余的能量?jī)?chǔ)存在漏感中。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?fù)渲校┠芡ㄟ^(guò)二極管D7在場(chǎng)效應(yīng)管斷開(kāi)期間傳遞到輸出端。這樣可以減少組件數(shù)量并提高效率。
另一個(gè)區(qū)別是每個(gè)磁性元件的設(shè)計(jì)和傳導(dǎo)損耗。因?yàn)橐粋€(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(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管接通時(shí)，電流通過(guò)一次繞組而不是二次繞組。當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)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?jī)?chǔ)存在變壓器中，并且在反激設(shè)計(jì)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(guī)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(cè)的單個(gè)藍(lán)色框中，反激的一次繞組和二次繞組在右側(cè)的兩個(gè)紅色框中。
對(duì)于每個(gè)波形，傳導(dǎo)損耗計(jì)算為均方根電流平方乘以繞組電阻。因?yàn)榻祲褐挥幸粋€(gè)繞組，所以磁場(chǎng)中的總傳導(dǎo)損耗就是一個(gè)繞組的損耗。然而，反激的總傳導(dǎo)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(shè)計(jì)更大。任一組件的儲(chǔ)能等于½ L × IPK2。
對(duì)于圖4所示的波形，我計(jì)算出倒置降壓只需要存儲(chǔ)反激所需存儲(chǔ)的四分之一的功率，因此，與同等功率的反激設(shè)計(jì)相比，倒置降壓設(shè)計(jì)的占地面積要小得多。
圖4 降壓和反激拓?fù)渲须娏鞑ㄐ蔚谋容^
當(dāng)不需要隔離時(shí)，反激拓?fù)洳⒉豢偸堑凸碾x線(xiàn)應(yīng)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?yàn)槟梢允褂靡粋€(gè)可能更小的變壓器/電感器。對(duì)于電力電子器件設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，重要的是要考慮所有可能的拓?fù)浣鉀Q方案，以確定最適合給定規(guī)格的拓?fù)洹?/p>
John Dorosa是德州儀器公司的應(yīng)用工程師。
