AC/DC電源適配器供電電的系統(tǒng)中,輸入電壓電壓通常高于230V,但輸出電壓通常不高于4.2V(單同/8.4V(雙瞳), AC-DC使用在在藍(lán)牙音箱、電池檢測、高亮手電筒、USB Type-C PD、大尺寸面板門級驅(qū)動等場合,則需要高達(dá)9V或12V及以上的輸出電壓,遠(yuǎn)低于電源輸入電壓。因此,需要AC-DC降壓轉(zhuǎn)換器提供數(shù)倍于輸出的輸輸入電壓,以滿足這些系統(tǒng)中各種各樣的電路和功能的需要。
現(xiàn)在市場上的AC-DC電源IC芯片分為原邊驅(qū)動和副邊驅(qū)動。
在AC-DC電源驅(qū)動的降壓模式中,根據(jù)模式轉(zhuǎn)換,會將AC-DC電源卡驅(qū)動模式轉(zhuǎn)換為DC-DC降壓模式。同時(shí)DC-DC降壓模式又分為同步降壓和異步降壓
同步降壓和異步降壓的優(yōu)勢就是擁有更快的導(dǎo)通速度、和更小的導(dǎo)通壓降,因而效率回更高。同步降壓無須外圍的二級管,二級管因?yàn)橛泄潭ǖ膶?dǎo)通電壓存在,在越大的輸出電壓的時(shí)候,二級管上的功耗損失會越大。同步模式可以用外部的周期信號控制DC-DC震蕩頻率的工作方式,可以減少對數(shù)字電路的干擾。
DC/DC轉(zhuǎn)換器的非絕緣型降壓開關(guān)穩(wěn)壓器有異步整流(二極管)式和同步整流式兩種。
1.異步整流式是較早使用的方式,就開關(guān)穩(wěn)壓器而言電路簡單但效率卻超過80%左右。
異步整流式于下側(cè)開關(guān)使用二極管,異步整流式通過上側(cè)晶體管的ON/OFF使電流流向或不流向二極管。
2.高效率的同步整流式開關(guān)穩(wěn)壓器用IC被陸續(xù)開發(fā),控制或電路極為復(fù)雜的同步整流式變得容易設(shè)計(jì),逐漸成為主流。同步整流式最大可以獲得近95%的效率。
1)同步整流與異步整流區(qū)別在于異步整流式于下側(cè)開關(guān)使用二極管,而同步整流式則與S1同樣為晶體管。同步整流式雖然基本工作與異步整流相同,但是下側(cè)開關(guān)的ON/OFF也由控制電路進(jìn)行。如果雙方同時(shí)為ON,則電流將從VIN直接流向GND,故雙方必須制造OFF時(shí)間,所謂停滯時(shí)間的時(shí)序等進(jìn)行復(fù)雜的控制。同步整流式的效率之所以比異步整流式好,是因?yàn)橄聜?cè)開關(guān)使用晶體管(尤其是MOSFET)。
2)另一個(gè)大區(qū)別在于輕負(fù)載時(shí)的工作狀態(tài)。上圖中橘色和綠色的箭頭分別表示輕負(fù)載時(shí)異步整流式(橘)和同步整流式(綠)的電感電流。電感電流如上圖所示,通過開關(guān)變成三角波。當(dāng)負(fù)載電流變得非常少時(shí),電感電流會下降至零交叉級。在此狀態(tài)下,異步式為二極管只能朝一方向流動電流,因此沒有如橘色波形般進(jìn)入負(fù)領(lǐng)域的波形電流,電流波形呈具有零周期之間斷狀態(tài),此稱為不連續(xù)模式。同步式由于晶體管,故可逆流,使負(fù)領(lǐng)域電流持續(xù),此稱為連續(xù)模式。
3.損耗與效率
任何電路都通過開關(guān)流動電流,故此會因?yàn)殚_關(guān)而有損耗,以致影響效率。二極管的VF通過電流増加,即使是低VF的肖特基二極管,1A時(shí)的VF也將為0.3~0.5V左右。與之相對,例如Nch-MOSFET的ON電阻極低,低至50mΩ左右,如果計(jì)算下降電壓的話,可知1A時(shí)Nch-MOSFET將為50mV,遠(yuǎn)低于二極管的VF。
如果為不連續(xù)模式,則開關(guān)電壓將發(fā)生振鈴,高諧波噪聲將被釋出。同步式通過維持連續(xù)的電感電流而使穩(wěn)定的工作繼續(xù)。但是,反向電流由于須從輸出電容器供給,故效率稍低。
總結(jié)來說,同步整流型和異步整流型都很具有代表性,應(yīng)用廣泛。整體而言,電源設(shè)計(jì)工程師須先行探討電路的復(fù)雜性、成本、效率、振鈴導(dǎo)致的高諧波噪聲,然后根據(jù)自己的需求進(jìn)行權(quán)衡,來判斷哪一方式最適合選擇。
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原文標(biāo)題:捷技術(shù):AC-DC降壓芯片至關(guān)重要的“四大天王”
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