延长导通时间可减小输入电容容量

分享到:

简介

基于微处理器的器件需要使用稳压电源(UPS)以检测输入功率损耗和继续在完成内存备份(即将关键数据写入非易失性存储器)的时间内进行供电。

设计连续输出功率的一种方法是:生成较高的输出电压和使用线性稳压器生成所需的较低电压。线性稳压器输入端电容用于提供维持时间。但遗憾的是,这种方法会降低电源的整体效率,原因是它需要使用次级线性稳压器,进而需要更大的变压器和元件,使得电源电路初级侧的额定功率更高。

另一种解决方案是使用已知的导通时间延长技术,这种方法在Power Integrations(PI)的一系列离线式开关IC中得到采用。在PI芯片中,导通时间延长功能与开/关控制功能相结合,用来提供稳压。这两种技术都可以替代传统的脉宽调制(PWM)控制,而无需添加额外的电路,如图1所示。



内存备份功率要求

需要在关断之前存储关键数据的产品应用通常会使用EEPROM内存,并需要获得稳压电源电压,以便在完成内存写周期的时间持续供电。对于某些EEPROM内存而言,写周期时间可能长达10 ms。为了提供足够的写周期时间,标准的做法是:通过关闭所有外设和不必要的额外负载来降低断电序列条件下的功耗。图2显示了直流总线电压和断电序列的关系,从而可以有效利用储存在输入直流总线端滤波电容中的能量。



功率转换器阶段需要使用储存于输入滤波电容中的能量,以便将输出电压维持在稳压限制范围之内。在图2中,这代表着直流总线电压从Vmin2降到Vmin3及进行数据备份所需要维持的一段时间(检测到输入失败情况后)。

对于大多数低功率应用而言,反激式转换器因为具有成本低、元件数量少和在通用输入应用中易于设计等优势,而成为一种可选的拓扑结构。我们将用两个反激式转换器进行比较,来说明导通时间延长技术的效率及其对电容选择的影响:一个反激式转换器在非连续导通模式工作一固定频率技术(DCMFF),而另一个则利用导通时间延长来实施非连续导通模式-占空比扩展技术(DCMDE)。

输入电压下降时的功率输出

案例1:DCMFF-最大占空比为50%。在本例中,我们将针对工作频率为100kHz并使用了一个500μH初级电感的21.25W(5V@4.25A)电源设计,对最大占空比为50%的DCMFF转换阶段的功率输出能力进行测评(参见图3)。假设能效为84%。



此设计的Vmim为100V。当直流总线电压为100V时,如果所连负载等于满载(即21.25W),则占空比将达到最大值。

对于最大占空比为50%的DCMFF设计,最大输出功率与直流总线电压之间的关系如公式(1)所示。



图4显示,电路的最大功率能力将随着电压的下降而下降,对于为50%满载的负载,电路可以维持输出端稳压,使直流总线电压仅下降到69V。



案例2:DCMDE-导通时间延长而不改变关断时间可以自动扩展占空比。要使导通时间延长方法与固定频率DCMFF方法进行可行性对比,需要将Vmin=100V下的占空比假设为50%。其结果是,电路在100V直流输入电压下输出满载功率时的初级电感值相同,以及高于100VDC的直流总线电压具有相同的工作条件。

电路工作情况:电路的工作情况与DCMFF配置相同,直到直流输入电压降到与Vmim相等的值。随着输入电压降到Vmin以下,t0-t1的时间间隔将被延长,直到初级电流达到预定的峰值初级电流值,后者等于输入电压为Vmin(占空比为50%)时的预计值。t1到t2的时间间隔保持不变,且等于正常工作条件下开关频率的时间间隔的一半。

图5显示了输入电压下降时初级绕组电流波形的变化。由于电感电流斜率随着输入电压的降低而降低,因此初级电流达到所需的峰值电流值将需要更长的时间。虽然通过延长导通时间间隔可以自动降低工作频率,但每个工作周期储存在电感中的能量仍将保持不变。工作频率下降可以导致电路的最大功率能力随之下降。此时,电路的最大功率能力曲线表现为不同的形状(参见图4)。

最小输入电压与最大输出功率之间的关系如公式(2)和公式(3)所示。





对比以上两条曲线可以明显确定,与DCMFF(固定频率占空比限制)设计相比,导通时间延长方案可以使功率转换器在较低的输入电压下输出更高的功率(参见图4)。

通过这两条曲线还可以看到,对于输出端50%的负载,DCMFF可以维持直流总线电压降至大约69V的稳压,而DCMDE转换器则可以维持低至31.5V的稳压。因此,DCMDE方法使电源能够为内存备份操作提供更长的维持时间,充分利用储仔于输入电容中的能量。