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由芯片产品构成的分布式电源适配器系统

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由芯片产品构成的分布式电源适配器系统

如下图所示为一个传统的离线式多路输出电源适配器。交流电被整流电路整流(有的电路使用功率因素校正,有的电路不使用),然后利用某种拓扑电路(半桥、全桥、正激或反激变换器)产生一个精确控制的以输出地为参考的主输出电压。该主输出一般为最大电流的输出,输出电压通常为+5V,因为它接有反馈环电路,能及时调整输入开关管的导通时间,所以它能很好地对网压和负载电流的变化进行调节。
通过增加变压器次级绕组的数量得到辅助输出(也称辅输出),选择合适的次级绕组匝数以得到所要求的辅助输出直流电压。由于辅助次级输出与主次级输出变换器开关时间相同所以经各自LC滤波器输出的辅助直流电压也能很好地适应网压变化。
但辅助输出并不能很好地适应主输出或其自身负载电流的变化,其对负载变化的调整率一般只能达到±5%~8%。若允许主输出或辅助输出的电感进入不连续工作模式,则对负载变化的调整率只能达到50%。另外,因为辅助输出最小的改变也要增加或减少一匝次级绕组,所以辅助输出的直流电压不能精确设计。由法拉第定律可知,每匝伏数与开关频率成比例,高频下根据磁密和铁心面积不同,每匝伏数E/N的值可能达到2~3V。
这些辅助输出电压在位置上离主功率变压器很近,并用导线连接到其使用位置。
一般来说因为辅助输出绕组往往用来给运放或计算机外围设备的电动机供电,它们均能耐受较大的输出电压波动,所以辅助输出电压对网压和负载变化调整率较差以及不能精确设定直流输出电压的值也并非大问题。

但如果要求辅助输出有精确电压输出和良好调整率时,就必须对辅助输出使用独立反馈环控制。常用的做法是:需要较小电流输出时,在较差调整的辅助输出后级接线性调整器;需要较大电流时接Buck调整器或磁性放大器。
因为分布式电源适配器解决了辅助输出电压难以精确控制的问题,并且还有其他一些明显的优点,所以分布式电源适配器可以替代传统多路输出电源适配器。图所示为分布式电源适配器的一种拓扑结构。
分布式电源适配器的优势在于产生了一个集中的直流母线电压(并不需要精确调节),它可向有需要的位置供电,然后接调节性能良好的DC/DC变换器芯片—Buck、Boot或极性转换变换器(将它转换为所需的电压)。前述的LTC公司和 Maxim公司的芯片是这种分布式电源适配器设计的很好选择。
如图所示的一种分布式电源适配器电路就具有以下许多优点。在图中,提供最大电流的输出端电压一般是+5V,直接由主功率变压器产生,并且这个主功率变压器只有一个次级。它由反馈环控制,在输出端采样,控制输入端的功率品体管的导通时间。所有其他的输出由 Boost变换器或极性转换变换器得到,每个辅助输出都有自己的反馈环。在图中,所有的辅助输出都由LTc1174 Boost变换器产生,它的优点如下。


(a)传统的多路输出电源适配器电路。主输出(输出电流最高的)接有反馈环电路,对网压和负载波动进行调整。功率变压器次级其他绕组构成辅输出,它们可以很好地对网压波动进行调整,但对负载波动调整率只有±8%。(b)分布式电源适配器电路。变压器只有一个次级,它可以很好地对网压和负载的波动进行调节。利用标准的DC/DC变换器如Boot、Buck或极性转换变换器,将变压器次级输出电压转换为所需的多组辅输出电压。主输出甚至可能不需要初级功率开关管的PWM控制。开关管仅工作于固定的导通时间,在很小的输出电流下主输出的调整通过自带的DC/DC变换器实现。

①主功率变压器比较简单且成本较低。功率变压器通常都是开关电源适配器中体积最大、价格最高的元件。变压器次级绕组个数越少,就越容易满足VDE安全指标。
②改变变压器的电气参数比较简单。在图所示的传统方案中,变压器的最初设计常常需要经过反复修改,有些绕组需要增加匝数、又有些绕组需要减少匝数。在初始的设计中,漏感和励磁电感也可能不适合,可能要改变绕组的绕线顺序,以改善绕组间的耦合或减小集肤效应的损耗。在图所示的电路,每个辅助输出模块都有自己的反馈环,由于输出电压恒定(输出电压与输入电压比为3:1左右),输入电压稍有波动也不会有问题。
③要改变输出电压和电流很容易,且不需要改变主功率变压器的设计。
④在一个大的系统设计中,常常需要在设计后期增加几个新的辅助输出电压。而在这种分布式电源适配器系统中,要增加新的输出电压很容易。
⑤可能完全消除主输出的反馈环,这可避免由检测输出电压以及控制输入端脉冲宽度所引起的所有问题,并且这样可以不使用增益随温度变化的光电耦合器及其所需的小功率辅助电源适配器,也可不使用将输出端信号耦合到输入端控制功率晶体管的耦合变压器。
所有以上优点的获得都可通过在次级输出一个大约为+20~+24V的非精确调节的电压,然后将其连接到所需要的位置,再通过标准的Buck变换器,如高效率的LT1070A或LTC159等芯片产生一个+5V的大电流输出端口;同时可通过小功率的LT074型Buck芯片降压产生低电流的辅助输出端口。
这种电路只需调整次级而不需要对功率晶体管进行脉宽调制,一般设定脉宽不变,约为半周期的85%,并且在次级只需要使用整流器和单电容滤波即可。由网压和负载变化造成的未精确调节的直流电压的波动和滤波电容的纹波可由次级调整器进行调节。
一般来说,在分布式电源适配器系统中,最好选用相对较高的母线电压,如+20~+25V,然后将其降到所需电压值,而不是采用+5V低母线电压再升到较高电压值。+5V母线电压只在同时要求+5V大电流输出(如10~100A)时才采用,因为这样的大电流输出一般不采用DC/DC变换器。
虽然分布式电源适配器电路可能较贵,且在一定程度上由于能量的两级调节而功率损耗较大,但以上谈到的优点和能方便获得电源适配器多组输出的特点将弥补这一不足。


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| 发布时间:2019.01.24    来源:电源适配器厂家
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