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運用返馳轉換器的高功率應用設計
 

【作者: Frederik Dostal】   2024年07月17日 星期三

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多相返馳轉換器不僅推升了最大可能功率的極限,而且具有容易設計的優點,同時,其所產生的傳導干擾也相對更低。


返馳轉換器是產生受調節電氣隔離電壓的良好途徑。此種電壓轉換技術的應用層面相當廣泛,原因是其電路簡單且技術也發展得相當成熟。圖一顯示返馳轉換器的示意簡圖。



圖一 : 不使用光耦合器(no-opto)的返馳轉換器
圖一 : 不使用光耦合器(no-opto)的返馳轉換器

然而,返馳式技術在使用上存在許多限制,而其最大傳輸功率也有其極限,主要是因為在圖一所示的Q1開關的導通期間,電流會經過變壓器的一次側。在此期間,能量會儲存在變壓器的磁芯T1。在Q1的關斷期間,沒有電流會經過一次側,不過在變壓器的二次側會產生一股電流。而先前儲存的能量則會透過二次側繞組釋放出來。


變壓器能儲存的最大能量會有上限,因此返馳轉換器的最大功率也會有極限。雖然可以利用特殊變壓器來得到超過100W的輸出功率,不過若是要得到約60W的輸出功率,一般都會採用返馳式設定。


想要讓返馳式拓撲在更高的功率下高效工作,可採用一種不尋常但很巧妙的方法。透過運用多重通道,返馳轉換器即可搭配兩個甚至更多個變壓器一起運作,並將輸出功率分攤到所有變壓器。市面上已有眾多變壓器產品選項,而且可以一起混用。


圖二顯示一個2通道返馳轉換器電路。其是透過一個特殊控制器積體電路MAX15159來控制。這個IC是一款2通道返馳轉換器,主要會搭配相移技術一起工作,以確保電流透過兩個並行電源路徑均勻地傳遞,此外,其甚至還可運用兩個MAX15159返馳轉換器搭配4個變壓器來操作一個4相式返馳電路,如此的電路可以使用小型變壓器來產生超過100W的超高功率。



圖二 : MAX15159可以控制多相返馳式電路
圖二 : MAX15159可以控制多相返馳式電路

多相式返馳類似單相式返馳電路,同樣可以在回饋通道中不用到光耦合器即可運作。其中,MAX15159配備了不使用光耦合器的功能,此項技術能評估在關斷期間跨越一次側繞組的輸出電壓。


多相式返馳有一項獨特優點,就是能減少傳導干擾。在輸入側,返馳電路的行為就像一個開關模式步降轉換器, 其作用就如同使用降壓拓撲的穩壓器。在兩種拓撲中,都會產生脈衝輸入電流。為了盡量減少輸入側的干擾,多相式逆向轉換器的個別通道會進行相移以錯開時序,也就是在不同時間啟動,如此不僅能改善電磁干擾(EMI)行為,還能減少輸入側電容的尺寸與數量。


圖三顯示2通道返馳轉換器的輸入側電流。



圖三 : 多相式返馳轉換器其輸入側經過的電流
圖三 : 多相式返馳轉換器其輸入側經過的電流

多相式返馳轉換器還有一個耐人尋味的優點,就是它們可以適合於許多應用領域,而且可以透過簡單的小型平價變壓器來替換大型變壓器。


總結

在開發電氣隔離電源供應器方面,除了在60W 以下採用返馳式轉換器以及在高於60W 採用順向式轉換器的一般解決方案之外,還有許多其他選項。


因此,在高於60W 的情境中操作多相式返馳轉換器有其可行性。類似MAX15159此款控制器積體電路的解決方案提供不含光耦合器技術的產品,其不僅不需要用到光耦合器,還能透過相移控制機制來盡可能將所產生的傳導干擾降至最低。


(本文作者Frederik Dostal為ADI 電源管理專家)


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