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基于ST STF24N65M2的240W自驱半有源桥整流方案

大大通 2023-11-14 15:01 次阅读

自从PD电源问世以来,给人们的生产生活带来了翻天覆地的变化,不仅仅是满足了人们对充电时间短的迫切需求,也带来了人们对节能降耗的持续关注。从45W到65W,再到120W甚至240W,充电功率越来越大,这样带来的好处就是可以极大地减少充电时间。随着充电功率的增大,对电源效率的要求也变得越来越高。效率高就意味着节能,在相同输出功率下,消耗的电能就越小。同时电源的发热量也低,可大大提高电源的使用寿命。

目前设计一款电源,除了要满足最基本的性能外,还要考虑体积与散热的问题。体积大小我们第一眼就能看到,所以体积很重要。而电源的散热能力与其表面积大小成正比,也就是说看起来表面积大的电源,其散热能力一般比较强,但加风扇散热的除外。前段时间本人就购买了一台游戏本电脑,其电源适配器功率为240W,比起以前65W的电源适配器,其在体积上大了3倍,功率上却提高了4倍。这是因为大功率电源的功率密度要远远高于小功率电源,65W的电源适配器采用普通的反激式开关拓扑,而240W的电源适配器采用了高效率的LLC开关拓扑,LLC开关拓扑还是软开关的,其最高效率可达98%以上。而反激式开关拓扑的最高效率只有94%,而且已经很难再继续提升。

按照国内对功率因素的要求,对于大于65W的开关电源必须要满足相关谐波标准,也就是要有功率因素校正电路。而功率因素校正电路就是指PFC电路。240W的适配器电源内部由两部分组成,前级是PFC电路,后级是LLC拓扑。前级的PFC电路又采用了BOOST升压拓扑,恒压400V后再给到后级的LLC。由于BOOST拓扑是一种DC-DC转换器,而输入的却是AC交流电,所以输入端还必须要有AC-DC的整流桥。整流桥的作用是把交流电转变成直流电,整流桥的内部是由4颗硅整流二极管构成,而这4颗硅整流二极管连接成H桥的形式,所以整流桥又叫H桥。

整流桥是有损耗的,这一点毋庸置疑。整流桥的损耗是由流过的电流大小决定,由于整流桥的压降相对恒定,单颗二极管正向压降一般为0.4V左右,所以计算损耗就把电流乘以0.4就行了。以240W的游戏本电脑适配器为例,在满载情况下,低压90v交流输入时的有效值电流为3.1A,桥堆损耗功率是3.1×0.4×2=2.48W。损耗功率拉低了整机的能效,而且损耗的功率是以热量的形式发散到周围,这也提升了整个电源的工作温度,加剧了电源的散热难度。从测试的数据看,桥堆的工作温度已经达到了惊人的112℃。

为了解决桥堆的功耗问题,人们想到了用无桥PFC的架构来做的思路,所谓的无桥就是指用开关管代替硅二极管,因为开关管的正向压降非常低,远远低于二极管的0.4V,所以几乎不存在损耗的问题。但无桥PFC电路复杂,不适合做几百瓦左右功率的电源,折中考虑还是用有源桥方案更适合。有源桥与无桥的原理大致是一样的,都是用开关管代替硅整流二极管来实现整流。二者不同的是,无桥PFC的整流部分与功率因素校正部分是一体的,而有源桥的整流部分与功率因素校正部分是分开的。

本实施例的有源桥方案采用自驱半有源桥的形式,结合电路图可知,自驱的好处显而易见,除了不需要驱动IC外,整个电路还极其简单。在有交流电输入的情况下,L与N交替出现正负半周的正弦波,两个下管Q1和Q2也交替导通。Q1与Q2的管子型号是STF24N65M2,出自意法半导体。交替导通的两个管子具有互锁功能,即在同一个正弦半周期内只有一个管子会导通,另一个管子处于截止状态,这样就保证了管子的安全性与可靠性。前面说了管子的导通压降非常低,所以自驱半有源桥的损耗为普通整流桥损耗的一半。具体的对比测试数据见附件表格。

对于有源桥整流的可靠性与安全性,很多电源工程师对此都有一定的疑虑,因为开关管的耐压一般选取650V,而硅二极管的耐压可选取800V或1000V,在雷击浪涌方面选用二极管整流桥方案明显会更可靠一些。当然这一点确实如此,但随着威廉希尔官方网站 的发展,人们对能效的要求越来越高,普通整流桥方案就显得有些力不从心了。在一台电源中,温度最高的元件往往就是整流桥,所以整流桥温升反而成了制约电源发展的绊脚石,而有源桥威廉希尔官方网站 却可以轻松解决这个让电源工程师头痛的难题,让电源能效再次飞跃!

►核心威廉希尔官方网站 优势

自驱动,无需驱动IC。

上臂用二极管,下臂用MOS管,无倒灌电流。

效率高,发热量低。

电路简单,容易设计。

►方案规格

输入交流电压:90~240V

输入交流电流:0~10A

最高耐压:650V

最大耐受浪涌电流:64A

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