有源钳位正激转换器单开关电源拓扑

球对能源成本上涨、环保和能源可持续性的关注正在推动欧盟、美国加州等地的相关机构相继推出降低电子设备能耗的规范。交流输入电源，不论是独立式的还是集成在电子设备中的，都会造成一定的能源浪费。首先，电源的效率不可能是100% 的，部分能量在电源大负载工作时被浪费掉。其次，当负载未被使用时，连接交流线的电源会以待机功耗的形式消耗能量。

近年来，对电源效率等级的要求日趋严格。最近，80% 以上的效率已成为了基本标准。新倡议的能效标准更是要求效率达到87%及以上。此外，只在满负载下测量效率的老办法已被淘汰。目前的新标准涉及了额定负载的25%、50%、75% 和 100% 这四个点的四点平均水平。同样地，最大允许待机功耗也越来越受到限制，欧盟提议所有设备的待机功耗均应低于500mW，对于我们将讨论的电视机，则小于200mW。除专家级的高效率电源设计领域之外，电子设备中所用的功率范围从1W 到 500W的交流输入电源，一直以来主要采用两种拓扑：标准 (或硬开关) 反激式 (flyback) 拓扑，和双开关正激拓扑。这两种拓扑都很易于理解，而它们存在的问题，以及如何予以避免，业界都已有充分的认识。不过，随着对效率的要求不断提高，这两种拓扑将逐渐为三种新的拓扑所取代：准谐振反激式拓扑、LLC谐振转换器拓扑和不对称半桥拓扑。准谐振反激式拓扑已被成功用于最低功率级到200W以上的范围。在70W-100W范围，LLC谐振转换器比准谐振反激式拓扑更有效。

反激式和 LLC 功率转换拓扑受到了如此多的关注，我想是时候拜访一位老朋友了：正向拓扑。它已经被广泛使用了几十年，并且有充分的理由。很难找到一种单端拓扑在设计简单、成本低和效率高方面提供一致的高分。它特别适合需要高输出电流的中低功率应用（小于 300W）。

图 1：来自TI 电源拓扑电路的基本正向拓扑

与反激式相比，正激转换器的主要优势包括更好的变压器利用率、更低的峰值电流和滤波输出。

唉，单开关正激变换器并非没有变压器磁芯饱和、变压器漏感引起的电压尖峰、开关损耗等固有问题。使用电阻-电容-二极管 (RCD) 钳位来解决变压器的复位问题，而有源钳位正激 (ACF) 使用辅助开关来代替 RCD 钳位的二极管和电阻器以减少泄漏。零电压开关 (ZVS) 技术用于解决开关损耗。

我们使用各种方法与所有这些方法试图改善的两个主要特性的结果进行了比较：效率和电压压力。图 2 支持 Leu 的结论，即 ACF（在图 1 中称为 FAC）具有最佳性能，提供最低的应力和最高的效率。

图 2：正激转换器中效率和电压应力的比较

德州仪器 (TI) 有多种 ACF 拓扑可供选择，如表 1 所示，其中最流行的是LM5025A电压模式和UCC2897A电流模式。

LM5025A PWM控制器包含使用有源箝位/复位技术实现功率转换器所需的所有功能。与传统的捕获绕组或RDC箝位/复位技术相比，使用有源箝位技术可以实现更高的效率和更高的功率密度。提供两个控制输出：主电源开关控制（OUT＿A）和有源箝位开关控制（OUT＿B）。两个内部复合栅极驱动器并联MOS和双极器件，提供优越的栅极驱动特性。该控制器设计用于高速运行，包括高达1MHz的振荡器频率范围和小于100ns的总PWM和电流检测传播延迟。LM5025A包括一个高压启动调节器，可在13 V至90 V的宽输入范围内工作。其他功能包括：线路欠压锁定（UVLO）、软启动、振荡器上下同步功能、精确参考和热关机。

UCC2897A是峰值电流模式固定频率高性能脉冲宽度调制器。该控制器包括P通道辅助开关的逻辑和驱动能力，以及为正确的有源箝位操作编程临界延迟的简单方法。其特点包括一个内部可编程斜坡补偿电路，精确的D-MAX限制，以及一个带有内部定时电容器的同步振荡器。精确的线路监测功能还可根据大容量输入电压VIN编程转换器的接通和断开转换。UCC2897A增加了二级hiccup模式电流检测阈值、双向同步和输入过压保护功能。UCC2897A提供20引脚TSSOP（PW）和20引脚QFN（RGP）封装。

表 1：德州仪器 ACF 器件

TI 还提供超过 79 种有源钳位TI Designs 参考设计供免费下载。例如，非常流行的用于模块更换的电信总线转换器参考设计（带有研讨会材料）是一种 175W 电信 ACF 设计 (5V@35A)，外形非常小巧，效率高达 95%，传导损耗比反激式低。

有源钳位正激转换器具有几个关键优势，并在所介绍的正激拓扑中提供最佳效率和最低电压应力。向前一点没关系：今天开始我们的有源钳位设计。