| 提供“電壓為5V,電流為50A,效率為90%”的設(shè)計是設(shè)計人員當(dāng)前眾多應(yīng)用（包括電信和汽車系統(tǒng)中的應(yīng)用）設(shè)計電源時面臨的典型目標(biāo)。加上必須向多個隔離的功率輸出提供高負載電流,進一步加大了電源系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜程度。因此,設(shè)計人員轉(zhuǎn)向更具挑戰(zhàn)性的DC-DC電源結(jié)構(gòu)設(shè)計以滿足設(shè)計目標(biāo)。
其中一個方式是從設(shè)計基本的降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器開始,然后添加或串聯(lián)第二級以增強電源的性能。但是,第二級并不僅僅是添加的回饋式轉(zhuǎn)換器級。還使用其他電源結(jié)構(gòu)。實際上,有許多串聯(lián)式電源結(jié)構(gòu)可讓你考慮應(yīng)用在下一個設(shè)計方案,并且達到高效率及高電源密度的需求。
過去,許多設(shè)計人員不愿意使用串聯(lián)電源結(jié)構(gòu),因為這樣會增加設(shè)計的復(fù)雜程度,并且會增加零件數(shù)量。但是現(xiàn)在推出了專門設(shè)計用于推挽和串聯(lián)電源結(jié)構(gòu)的控制器,從而更加容易設(shè)計零件數(shù)量減少的無故障電源。
首先,在探究使用串聯(lián)電源結(jié)構(gòu)的優(yōu)點和折中之前,我們將討論三個電源結(jié)構(gòu)的特性——降壓轉(zhuǎn)換器、正向轉(zhuǎn)換器和推挽轉(zhuǎn)換器。然后,我們可以很容易弄明白如何通過組合或串聯(lián)基本構(gòu)件,設(shè)計效率更高、輸出更高的電源系統(tǒng)。
首先設(shè)計降壓轉(zhuǎn)換器
在普通的單個開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器電源結(jié)構(gòu)中,降壓轉(zhuǎn)換器是最知名且使用最為廣泛的一種。由于該轉(zhuǎn)換器將用作討論的所有串聯(lián)電源結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件,因此讓我們快速回顧一下它的特性。
| 圖1效率高且調(diào)節(jié)范圍寬的降壓轉(zhuǎn)換器是眾多串聯(lián)電源設(shè)計的基本鉤件 |  降壓轉(zhuǎn)換器具有非常高的轉(zhuǎn)換效率以及非常寬的電壓調(diào)節(jié)范圍,加上成本較低,使其成為眾多設(shè)計中最受歡迎的選擇。但是,降壓轉(zhuǎn)換器限于非隔離型單輸出電壓,并且它只能供應(yīng)比輸入電壓低的電源。
降壓轉(zhuǎn)換器由交換部分（Q1和D1）和輸出濾波器（L1和C1）組成。輸出電壓Vout等于Vin×D,其中D為主開關(guān)Q1的工作周期。
流經(jīng)電感器的電流由兩個部分組成：來自Q1的開關(guān)電流和來自D1的整流器電流。我們假定電感器電流在切換周期期間從不返回到零,即,轉(zhuǎn)換器始終以“連續(xù)模式”工作。
稍后,當(dāng)我們構(gòu)建串聯(lián)轉(zhuǎn)換器時,我們要探究降壓轉(zhuǎn)換器的高效率,以及它在寬廣輸入電壓范圍中調(diào)節(jié)輸出的能力,同時克服非隔離單輸出限制的功能。
正向轉(zhuǎn)換器是具有附加隔離變壓器的降壓轉(zhuǎn)換器。它的一個甚或多個輸出均被隔離,并且可作為升壓或降壓（參見表1）。它的電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)與降壓轉(zhuǎn)換器的電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)相同,并增加匝數(shù)比條件：Vout=Vin×D×Ns/Np。
| 類型 | 降壓 | 正向 | 推挽 | | 隔離輸入 | 否 | 是 是 | | | 輸出電壓電平 | 僅限于降壓 | 升壓或降壓 | 升壓或降壓 | | 輸出數(shù) | 僅限于單個輸出 | 可多個輸出 | 可多個輸出 | | 轉(zhuǎn)換效率 | 非常高 | | | | 輸出紋波電流 | 低 | 低 低 | | | 電壓調(diào)節(jié)輸出 | 寬 | 有限 | 寬 | | 備注 | 需要高端（隔離）門驅(qū)動,并且可能會成設(shè)計上困難 | 有限調(diào)節(jié)范圍,不能用于輸入電壓范圍較寬的應(yīng)用中 | 主開關(guān)上的電壓應(yīng)力是Vin的兩倍 |
但是,由于需要在每個切換周期復(fù)位變壓器,因此在每個切換周期期間復(fù)位變壓器的時間將減少主開關(guān)處于打開狀態(tài)的潛在時間。減少潛在的ON時間（降低D）將降低轉(zhuǎn)換器可以調(diào)整的輸入電壓范圍。這是正向電源結(jié)構(gòu)的折中之處：有限調(diào)整的隔離輸出（逐步升壓或逐步降壓）。因此,正向轉(zhuǎn)換器不是要使用的最佳構(gòu)件。但是,通過采用正向轉(zhuǎn)換器的思想以及添加第二個初級變壓器,您可以獲得有用的推挽電源結(jié)構(gòu)。
推挽轉(zhuǎn)換器中的主開關(guān)交替為它們各自的繞組供電。當(dāng)Q1處于導(dǎo)通狀態(tài)時,電流流經(jīng)D1。當(dāng)Q2處于導(dǎo)通狀態(tài)時,電流流經(jīng)D2。次級繞組的排列方式采用中心抽頭配置。因此,輸出濾波器的切換頻率是Q1或Q2的兩倍。這意味著可以在推挽設(shè)計中使用較小的變壓器和濾波器。
 與正向電源結(jié)構(gòu)相比,推挽電源結(jié)構(gòu)的第二個主要優(yōu)點是它的變壓器可以在B-H曲線更寬的部分內(nèi)工作。（參見圖3）其優(yōu)點是推挽變壓器提供的功率是正向變壓器的兩倍。
美國國家半導(dǎo)體公司已開發(fā)出專門設(shè)計用于推挽電源結(jié)構(gòu)的控制器——LM5030。由于該控制器中包括很多您想包括在推挽設(shè)計中的功能電路,因此在使用LM5030的設(shè)計中只需較少的組件。
以下簡要列出LM5030的特點：
● 內(nèi)部15??100V啟動調(diào)節(jié)器
● 具有內(nèi)部斜率補償?shù)碾娏髂Ｊ娇刂?
● 使用單個電阻器設(shè)置頻率——100kHz??600kHz
● 可控制與外部振蕩器保持同步
● 誤差放大器
● 精度1.25V參考電壓
● 可編程軟啟動
● 雙模過電流保護
● 直接光耦合器介面
● 熱停機保護
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