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模塊電源主要分為AC-DC和DC-DC兩種。對于AC-DC模塊電源,無論是網絡上還是實際電源設計上都有不少的探討,反倒是DC-DC模塊電源的相關資料較少。本文對DC-DC模塊電源拓撲電路進行梳理,是一篇基礎的電源知識類文章。
這里說的DC-DC模塊電源指工業、軌道交通、通信、軍事等領域用的嵌入式模塊電源,這類電源追求的是高功率密度、高效率及高可靠性。就目前而言,對成本雖有要求,但遠沒有常規的AC-DC模塊電源那么敏感。且為了達到高性能,一般不會像AC-DC模塊電源那樣,DC-DC模塊電源在設計時,為方便設計的靈活性,不太用集成度高的IC。
一般流行于市面上的隔離型DC-DC模塊電源,功率等級基本在1kw以內,功率再大一點的,可通過多模塊電源并聯均流實現。輸入電壓范圍從2.5V到650V不等,輸出電壓則從1V到60V不等。模塊電源在設計時,對拓撲的選擇主要從輸入、輸出、功率等級這三個方面考慮。
1、Royer(自激推挽):
一般用于低輸入電壓的場合(如2.5V,5V),且功率不大(如2W以內),另外Royer是非穩壓的,若需要穩壓,則需要在模塊電源里面加入線性穩壓線路。用于模塊電源中的常規反激(包括IC控制的反激和RCC),一般功率不超過50W,輸入電壓覆蓋9V到1000V,均有模塊電源產品出現。
同步整流技術是反激變換器設計中的一個難點,也是專利壁壘比較多的一個點,市場上的小功率DC-DC模塊電源大多用這種拓撲。至于RCC,最大的優點是便宜,但它對器件的一致性要求太高,而且還是變頻的,并不太適合用來設計高性能模塊電源。
2、有源鉗位反激/有源鉗位正反激:
有源鉗位反激是有源鉗位技術與常規反激變換器結合的產物,開關管應力低,效率高,EMI特性好是它的優點。但技術復雜,同步整流也不好搞定,所以盡管它的優點很多,但市場上用這種拓撲做產品的并不多見。至于有源鉗位正反激技術,比有源鉗位反激技術更復雜,正反激最大的優點就是輸出紋波小,尤其是0.5duty時理論紋波為零,可在一些高性能DC-DC模塊電源中見到這種拓撲。
有源鉗位正激,經過十幾年的發展,可以說是模塊電源里最著名也是最成熟的一個拓撲了。常用于50W-200W功率等級,輸入電壓不超過100V的場合,幾乎每一家做模塊電源的企業都會用到這種拓撲,輸出電壓從1V到15V均有。
3、硬開關半橋(全橋):
常見于低壓大功率的模塊電源,如低壓半磚模塊電源、全磚模塊電源,一般介于200W-800W之間,也有人用作高壓輸入模塊,如200V-400V輸入,但不多見。
4、移相全橋(PSFB):
在高壓大功率DC-DC模塊電源,主要用這種拓撲,DC-DC模塊電源一般輸入電壓比較寬,LLC雖有效率上的優勢,但在寬輸入電壓范圍應用場合不合適。市面上能夠見到的用PSFB的DC-DC模塊電源產品基本參數為:輸入200V-400V或輸入400V- 650V、輸出600W、800W、1000W、尺寸多為標準全磚尺寸,有完善的保護機制,多模塊并聯冗余能力。
5、LLC:
模塊電源里的LLC多用于bus-converter,且開環定頻控制,一般設計時,讓Lm>>Lr,可以實現ZVS/ZCS,可以獲得非常高的效率。比如正弦振幅變換器,可以做到滿載98%效率,400V輸入,1700W輸出,尺寸相當于一個打火機大小。