工業(yè)電源必需滿足一些特殊的要求，如低功耗（以減輕機箱冷卻方面的負擔）、高功率密度（以減小空間要求）、高可靠性和高耐用性，以及其它在普通電源中不常見的特性，如易于并聯(lián)、遙控和某些過載保護功能等。同時，它對EMI和穩(wěn)定性的要求也比其它應用更為嚴格。本文詳細分析了一個400W電源的設計實例，闡釋了初級端和次級端電源模塊的運用，以及其它提高性能的方法。除了在電氣方面的改進外，模塊還采用統(tǒng)一的外形尺寸，便于實現(xiàn)精細緊湊的機械設計并減少安裝和物流成本。事實上，兩個模塊可具有不同額定功率，從而大大縮短了上市時間。

　　功率因數(shù)校正級（PFC），加上總線或DC鏈路電容，對于許多無法單獨優(yōu)化的不同因素來說是十分關鍵的。現(xiàn)在，大部分電源都采用了有源PFC電路，亦即升壓轉換器，確保輸入電流與輸入電壓同相，使輸入端的正弦波失真最小化，從而減小傳導EMI，實現(xiàn)寬輸入范圍（85VAC ~ 265VAC）。而且，這個升壓轉換器會根據(jù)輸入電壓調(diào)節(jié)自己的占空比和輸入電流，并把總線電容的電壓調(diào)節(jié)到350V ~ 400V。然而，如果升壓轉換器不是有源的（例如在啟動狀態(tài)），電流可能流經(jīng)輸入整流器，進入升壓電感和二極管，再到空的總線電容，最終產(chǎn)生很大的浪涌電流。要避免這一問題，需要額外的限流電路，否則可能觸發(fā)電網(wǎng)熔絲。在高可靠性或關鍵任務應用中，由于對保持時間和節(jié)電保護的要求更嚴格，因此總線電容必須增大，這使得浪涌電流變得更大。在某些情況下，需要一個NTC電阻，但在“熱”啟動（如停電）時，NTC仍然很熱，不能提供保護。根據(jù)DIN-EN 61204標準，測試方法針對兩種情況：70%的額定輸入電壓，20ms；以及40%的額定輸入電壓，100mS。第二種情況對沒有有源PFC的電源而言可謂相當棘手。

　　脈寬調(diào)制級（PWM）是主要的轉換器級。其中DC電壓被斬波為更高頻率的方波，因此利用更小的變壓器就可以轉換到另一個電壓級并提供隔離。并非所有的拓撲都采用占空比變化的方波，有些拓撲采用的是變頻，還有的則是改變兩個脈沖序列之間的相位。這一級主要確定轉換器的效率和負載調(diào)節(jié)。轉換器效率十分重要，首先它關系電源的運行成本；其次是必須通過機箱冷卻來散除產(chǎn)生的熱量；第三是熱組件越大，就越昂貴，占用空間也越大。這三個因素與電源的使用壽命成本關系重大。

　　圖1 工業(yè)電源的各個不同級及每級的主要特性

　　轉換器拓撲的選擇對效率和輻射EMI都至關重要，因為功率開關越傾向于硬開關，產(chǎn)生的dI/dt和dV/dt就很大，同時電流和電壓就越高，這會導致開關頻率諧波的大量產(chǎn)生。在各種拓撲中，諧振或準諧振拓撲都頗具優(yōu)勢但較難設計，尤其是諧振拓撲，很難在寬泛的負載范圍上實現(xiàn)。下文中描述的LLC拓撲具有在寬負載范圍內(nèi)有限的開關頻率變化以及軟開關，很容易解決這一問題。

　　PWM級也是所有必須保護功能的核心所在。在電流模式轉換器的情況下，逐周期限流器可保護電源免受大部分輸出問題的傷害，這些問題通常與熱關斷有關。

　　同步整流級（SR）把變壓器產(chǎn)生的交流電壓轉換回直流電壓。由于電壓很低，電流往往相當高，故整流器的傳導損耗必須最小化。若采用硅PN結二極管可以獲得0.7V的正向電壓，則采用肖特基二極管可達到0.4V。要獲得更低的電壓級就需采用MOSFET，這時電壓級由導通阻抗RDS（ON） 和輸出電流決定，且比前兩種情況要低得多。但因為MOSFET是有源器件，故需要一個適當?shù)?a target="_blank">柵極驅動信號來完成，如果設計良好，這一級的功耗可大幅度減小，從而進一步提高效率。此外，利用先進的低電感封裝技術，設計還可以非常緊湊耐用。

　　連續(xù)傳導模式（CCM）功率因數(shù)校正

　　輸入整流器（圖2中沒有EMI濾波器）產(chǎn)生的輸入電壓被饋入到PFC電感中，此時后者的次級線圈為PFC控制IC提供供電電壓。電感前面的電阻/電容網(wǎng)絡可對輸入電壓進行采樣。電感之后是帶柵極保護電路的電源開關，PFC整流器為StealthTM 二極管。接下來使用一個電阻分壓器來感測和調(diào)節(jié)PFC級的輸出電壓，反饋回路至此結束?？偩€電容也如圖2所示，而二極管D1是一個額外的保護器件。

　　圖2 PFC級的原理示意圖

　　這里采用的控制器是FAN4810，該器件包含了先進的平均電流“升壓”型功率因數(shù)校正實現(xiàn)電路，電源因此能夠完全滿足IEC1000-3-2規(guī)范的要求。它還包含了TriFault Detect功能，有利于確保不會因PFC中單個組件的故障造成不安全事件。1A的柵極驅動器又極大降低了對外部驅動器電路的需求。此外，它的功率要求很低，既提高了效率也降低了組件成本。該PFC還帶有峰值限流、輸入電壓中斷保護功能，還有一個過壓比較器，可在發(fā)生負載突然減小事件時關斷PFC部分。時鐘輸出信號可用來同步下游的PWM級，以減少系統(tǒng)噪聲。

　　圖3中，綠色曲線的較厚區(qū)域代表電流紋波，PFC IC在峰值輸入電壓下消耗電流較多，過零時沒有電流。粉色曲線代表整流器輸入電壓，藍色曲線為輸出電壓。

　　圖3 CCM PFC的行為

　　LLC拓撲

　　提高電源效率的方法之一是采用零電壓開關拓撲。在這種拓撲中，電路中的電源開關在電壓極低時導通。對于鉗位感應開關MOSFET，導通損耗PON LOSS可由下式粗略求得：

　　IL為流經(jīng)MOSFET的負載電流，VDS（SW）為MOSFET導通前的漏源電壓，tON為導通時間，而fSW 則為開關頻率。

　　在硬開關拓撲中，VDS（SW）是總線電壓，對帶有PFC前端級的應用來說一般約為400V。對于零電壓開關，該電壓被降至MOSFET二極管的正向電壓降，在1V左右，從而極大地減小了導通開關損耗。

　　圖4所示為LLC諧振轉換器的模塊示意圖。其核心組件是諧振網(wǎng)絡，在輸入端電壓波形和流入輸入端的電流之間產(chǎn)生相位滯后，加載在輸入端的電壓波形是方波，利用半橋或全橋電路很容易就可以從PFC輸出電壓中產(chǎn)生。

　　圖4 LLC諧振轉換器模塊示意圖和零電壓開關波形

　　如果忽略橋式電路中死區(qū)時間效應以及更高階諧波的出現(xiàn)，那么流入諧振網(wǎng)絡的電流可近似表示為正弦波。由于流入諧振電路的電流滯后于電壓基波，當MOSFET處于導通狀態(tài)時，電流從兩個方向流入，如圖4所示。MOSFET在電流流經(jīng)體二極管時導通，導致“零”電壓開關。這種方法帶來的一個額外好處是導通時產(chǎn)生的EMI較低，這是因為高dv/dt和di/dt轉換時間要短得多，而且通常沒有標準硬開關應用中不可避免的反向恢復效應。