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一款不带变压器的低成本、非隔离式 AC/DC 降压转换器
信号链杂谈 | 2011-09-21 09:49:42    阅读:4820   发布文章
作者:Jeff Falin德州仪器 (TI)高级应用工程师和Dave Parks TI资深实验室研究员
 
引言
诸如智能电表或者功率监控器的离线设备都有一些要求10W以下非隔离DC电源的电子元件。到目前为止,通过一个 AC 电源提供低功耗 DC 电源轨的唯一实用方法仍然是在整流器后面使用一个效率极低、未经调节的电阻/电容分压器,或者一个难以设计的反向 DC/DC 转换器。MOSFET 技术的一些进展以及创新的磁滞降压控制器栅极驱动电路带来了一种超低成本 DC 电源轨。
 
图 1 显示了完整的转换器。整流器电路使用一个标准、快速开关整流器二极管桥接 (D1) 和一个 LC 滤波器(L1 和 C2)。我们将对其余组件进行更加详细的介绍。
 
1AC/DC 降压转换器电路
 基本降压转换器
TPS64203 是一款磁滞降压转换器,专为驱动高端pFET 而设计,拥有最小导通和断开开关时间要求。传统的磁滞转换器有随负载电流变化的开关频率,与其不同的是,最小导通和断开时间在转换器以高输出功耗电平在连续导通模式下运行时,从根本上控制开关频率。TPS6420x 系列中的其他一些转换器可主动避免在声频范围内进行开关操作,从而有效地获得最大导通和断开时间。TPS6420x 系列起初是为电池供电型应用而设计,拥有1.8V 到6.5V 的输入电压范围,以及非常低的静态电流(最大为35 μA)。在启动期间,TPS64203 被齐纳二极管D2 以及高压电阻R2 和R3 偏置。5-V 电压轨上升以后,肖特基二极管D4 允许5-V 输出轨驱动控制器。
 
功率FET Q4 必须具有足够高的VDS 电压额定值,以使其不会被输入电压损坏,同时还要有足够高的电流额定值,以处理IPMOS(RMS) = IOUT(max) ×√Dmax。它的封装还必须能够驱散PCond = (IOUT(max) × √Dmax)2 × RDS(on)。一般来说,高压P 通道FET 有一个过大的栅极电容或者导通/断开时间,过高的漏-源电阻 (RDS(on)),过大的阈值电压 (VTH),以和/或制造图1 所示实际电路时的高成本(即足够的成本效益)。由于230 VRMS + 10% 容差的高压线来自350-VPK AC 线,因此FET、滤波器和输入电容需要根据400V 设定额定
 
FQD2P40 相对较新,即400-V P 通道MOSFET。利用10-V 栅极驱动的5.0Ω RDS(on)以及小于13nC 的总选通电极充电,借助于由Q2、Q3、C4 和D3 组成的创新驱动电路,该FET 可轻松地通过控制器开关拥有比老式FET 相对更少的导电和开关损耗。我们选择转换器的整流肖特基二极管D5,因为它拥有可阻止输入压的电压额定值、稍高于输出电压的峰值电额定值,以及IDiode(Avg) =(1 – D) × IOUT(max) 的平均电流额定值。利用Dmax of 5 V/120 V = 0.04 以及如此低的输出功率,峰值电流额定值和功耗在两种开关中都不成问题。
 
降压功率级的LC 滤波器如TPS6420x 系列产品说明书中介绍那样设计。利用高于输出电压的输入电压,所有TPS6420x 控制器将运行在最小导通时间模式下。方程式1 计算高线压下的建议降压转换器电感,其假设电感纹波电流系数的K=0.4。
 
相对较高的K 值最小化了电感,并且经证明是可以接受的,因为这种特殊应用的稳态输出纹波要求小于0.02 × VOUT,即高负载时的100mVPP。磁滞后,TPS6420x控制器一般在输出电压有一些纹波时工作效果最。我们建议使用至少50-mΩ ESR 的输出电容可产生ΔVPP(ESR) = ΔIL × RESR 的纹波电压,其一般远超出电压纹波的电容分量。图2 显示了该应用的测得纹
 
图2VIN=250 VDC 和IOUT=500mA 的输出纹波
由于TPS64203 为磁滞型,因此在其运行在脉冲频率模式下时,其输出电压在更低输出功率下将会有更高的纹波。测得转换器的工作频率约为32 kHz,其与下列预计值一致:
 
驱动电路如何工作
双极型晶体管Q1 和电阻R4 及R5 构成一个恒流驱动的电平位移器,其允许低压TPS64203 控制器操作由Q2 和Q3 构成的离散式栅极驱动电路。同控制器一样,电平位移器在启动时由齐纳二极管D2 驱动,而在启动以后经调节的5-V 轨则通过肖特基二极管D4 驱动。功率FET Q4 的栅极必须刚好过驱动,以为要求输出电流提供可接受的RDS(on)。驱动过多会增加开关损耗,而驱动过少又会增加传导损耗。查看FQD2P40 产品说明书,并检查一些实验和误差后,我们选择了VGS ≅ 12 V。
 
电容C4 和二极管D3 对驱动电路的功能至关重要。我们选择电阻R5 来将12V 栅极驱动电平设置在整流器输出电压以下。二极管D3 将电容C4 限定在这一电平。特别是,当U1 的开关引脚输出一个低信号来开启功率FET 时,信号被电平位移到Q3 的基极。晶体管Q3 开启,并快速地将Q4 的栅-源电容CGS 充电至12V。如果没有C4 和D3 的话,关闭Q4 会让Q3 成为一种漏极接地的昂贵的高压双极型晶体管。当U1 的开关引脚输出一个高信号来关闭功率FET 时,该信号被电平位移至Q2 的基极。Q2 开启,有效地将Q4 的栅极与输入电压连接。在没有起到本地电源作用的电容C4 的情况下,晶体管Q2 和Q3 无法提供快速(且因此而高效地)上拉或下拉Q4 栅极电容所必需的快速电流峰值,注意到这一点很重要。另外,由R4 设定的电平位移器电流ILS 必须足够高,以在ton(min) 期间移动Q4 的栅极电QGate。也就是说:
 
电容C4 值设定大于Q4 的栅极电容,但其必须足够的小,以便在更短控制器最小导通与断开时间期间能够得到再充电。图3 显示了300V 和500-mA 负载输入电压下,一个开关周期的栅极和漏极导通/断开时间。表1 显示了测得的转换效率。
 
3 一个开关周期的 Q4 栅极和漏极电压
 
 1测得的转换效率


电流限制与软启动

在许多低压应用中,TPS6420x 使用一个高端限流电路,旨在将安装在VIN 和ISENSE 引脚之间的电流检测电阻的压降同基准参考电压进行对比。如果检测电阻的电压超出该电压,则电路关闭开关,从而实现逐脉冲电流限制。高压应用中,ISENSE 引脚上没有过电压时无法使用限流电路,因此ISENSE 引脚高位连接 至VIN。所以,图1 所示电路没有电流限制。我们推荐使用高端保险丝来提供短路保护。
 
在一些典型的启动应用中,TPS64203 限流值慢慢上升,以提供限流的受控软启动。在这种应用中,限流电路和软启动均无效;因此,启动浪涌电流会很大,而输出电压会稍稍过冲,如图4 所示。
 
 
 
4 VIN=300V 10-Ω 负载启动
 
结论
使用一个电平转换器和栅极驱动器以及一个局部电源可以实现使用一个低压降压转换器通过 AC 电源来提供 DC 电压。使用一个简单的电路在没有变压器的情况下就可以获得近 60% 的转换效率。这种电路也可以用于 DC/DC 转换,其输入 DC 电压高于 TPS6420x 的最大额定值。
 
相关网址
www.ti.com.cn/ power
http://focus.ti.com.cn/cn/docs/prod/folders/print/tps64200.html
 

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power360  2017-08-13 16:05:40 

这个电路有测试过,温度太烫了!大家可以不妨自己测试一下。建议直接用XD308H芯片来做,这个电路简单无噪声发热低。

power360  2017-08-13 16:00:44 

这个电路有测试过,温度太烫了!大家可以不妨自己测试一下。建议直接用XD308芯片来做,这个电路简单无噪声发热低。

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