常见的提高工业AC/DC电源的可靠性的方法解析

随着全球多样化的发展，我们的生活也在不断变化着，包括我们接触的各种各样的电子产品，那么你一定不知道这些产品的一些组成，比如AC/DC电源。

提高电源可靠性的关键在于降低功率元件的热、电压和电流应力，这主要是输入电压和所需功率的函数。不过，您可选择有助于减轻这些应力的拓扑。同样，虽然热应力是额定功率的函数，但电源效率也起着重要作用。因此，在追求可靠性的过程中，探索提供高效率的拓扑结构和电路元件极其重要。

工业电源需要在广泛的工作条件下高效，可靠和灵活。第一个标准之一是效率。低散热性能提高了效率，使系统能够放弃风扇并使用自然冷却方法令人满意地运行。这有助于实现高系统效率和可靠性，同时降低系统成本。

提高工业AC/DC电源的可靠性

在我们的94.5%效率、500 W工业AC / DC参考设计中，前端功率因数校正(PFC)级是交错式过渡模式升压拓扑，尽管单级连续导通模式(CCM)升压拓扑结构是也是一个可行选择。拓扑选择主要是出于器件压力的考虑;交错式拓扑，因两级并联工作，将功率元件(升压电感、开关金属氧化物半导体场效应晶体管[MOSFET]和整流二极管)中的电流应力降低了两倍。图1所示为两种拓扑的简化图。

实现可靠性和灵活性的其他因素是宽输出范围，具有恒定电流(CC)/恒定电压(CV)模式和过载能力，可以满足更多负载类型和操作条件，而无需复杂的电路和额外成本。

因导通应力显著降低，过渡模式PFC在降低开关应力方面具有优势。当输入电压低于输出电压的一半时，过滤模式下的电压切换为零;即使输入电压较高，电压切换水平也会显著降低。在所有条件下，MOSFET和整流器都有零电流开关(ZCS)。ZCS操作导致整流二极管中的反向恢复几乎消除，这也有助于减小应力并降低电磁干扰(EMI)。虽然减少EMI不能提供直接的可靠性优势，但EMI滤波器元件数量的减少以及敏感电路段噪声拾取的可能性降低可间接地有助于提高整个电源的可靠性。

即使在特殊的过载条件下，具有过载能力的电源也可以提供足够的功率而不会发生故障，从而进一步提高了电源和负载的安全性。

考虑热应力时，交错的过渡模式升压拓扑再次比CCM拓扑更有利。在交错过渡模式拓扑中，组件在较低温度下运行;与CCM拓扑相比，更多组件共享几乎相同的功率损耗。在温度降低条件下操作对电源可靠性具有相当大的影响，尤其是在没有强制通风设备的系统中。

有许多选择，在尝试在其工作范围内实现电路的高效率时，拓扑和控制器的选择至关重要。

此外，交错操作大大降低了输入和输出电容器中的纹波电流。这是一个重要的考虑因素，特别是铝电解型输出电容器，它是决定整体电源可靠性的最薄弱环节之一。在PFC应用中，纹波电流是决定输出电容器寿命(由于尺寸、成本和可用性原因而电压额定值被限制为450V/500 V)的最重要因素。应该看到纹波电流的降低不仅是对规格的降额，而且更显著的是由于功耗降低导致的温度降低。

转换模式功率因数校正(PFC)具有降低开关损耗的优点，因为在所有工作条件下金属氧化物半导体场效应晶体管和整流二极管都存在零电流开关(ZCS)。ZCS软开关可以消除整流二极管的反向恢复。TI的UCC28056 PFC控制器还具有谷值同步开启功能，可进一步降低开关损耗。

对于DC/DC级，电感-电感-电容(LLC)拓扑结构是首选，因为它具有降低的开关应力，尽管它确实会增加电流应力。在略高于谐振频率的满载下工作可最大限度地减小电流应力的增加，同时避免由于ZCS关断而导致的输出同步MOSFET体二极管反向恢复。

对于DC / DC级，电感 - 电感 - 电容(LLC)拓扑结构因其软开关特性而成为首选; TI UCC256301 LLC控制器还具有提供效率优势的控制技术。

该设计实现了接近95%的效率，而不会增加太多复杂性。PFC级效率在230 V时高于98%，在115 V时高于96.5%.LLC级的效率高于96.5%。拓扑和组件选择是影响此性能的因素。另一个需要考虑的重点是电路在其工作范围内的效率：在其使用寿命期间，它可能并不总是在满载或接近满载的情况下运行。因此，在广泛的操作区域内实现良好的效率非常重要。这就是为PFC和LLC功率级选择控制器变得至关重要之处。

在研究设计过程中，一定会有这样活着那样的问题，这就需要我们的科研工作者在设计过程中不断总结经验，这样才能促进产品的不断革新。