【導讀】對于離線電源來說，反激拓撲是一種合理的解決方案。但是，如果設計的終端應用不需要隔離，那么與之相比，離線倒置降壓拓撲具有更高的效率，并且 BOM 數量更少。這篇電源設計的文章，將會探討倒置降壓對于小功率 AC/DC 轉換的優勢。
對于離線電源來說，反激拓撲是一種合理的解決方案。但是，如果設計的終端應用不需要隔離，那么與之相比，離線倒置降壓拓撲具有更高的效率，并且 BOM 數量更少。這篇電源設計的文章，將會探討倒置降壓對于小功率 AC/DC 轉換的優勢。
離線式電源是最常見的電源之一，也稱為交流電源。隨著越來越多的產品將典型的家庭功能集成在內，業界對輸出能力在 1W 以下的小功率離線轉換器的需求也越來越大。對于這些應用，最重要的設計方面是效率、集成和低成本。
在決定拓撲結構時，反激拓撲通常是任何小功率離線轉換器的首選。但是，如果不需要隔離，這就可能不是最好的方法。假設終端設備是一個智能燈開關，用戶可以通過智能手機的 app 進行控制，那么在這種情況下，用戶在操作過程中不可能接觸到暴露的電壓，因此就不需要隔離。
對于離線電源來說，反激拓撲是一種合理的解決方案，因為其物料清單（BOM）數量較少，只有少數功率級元件，并且變壓器在設計上可以處理較寬的輸入電壓范圍。但是，如果設計的終端應用不需要隔離呢？如果是這樣的話，考慮到輸入是離線的，設計人員可能仍然想要使用反激拓撲。帶集成式場效應晶體管（FET）和初級側調節的控制器可以創建小型的反激解決方案。
圖 1 給出的非隔離反激轉換器的典型原理圖，使用帶初級側調節的 UCC28910 反激式開關電源 IC 進行設計。雖然這個方案可行，但與反激電源相比，離線倒置降壓拓撲具有更高的效率，并且 BOM 數量更少。這篇電源設計的文章，將會探討倒置降壓對于小功率 AC/DC 轉換的優勢。
圖 1：這種使用 UCC28910 反激開關電源 IC 的非隔離反激設計，可將 AC 轉換為 DC，但離線倒置拓撲可以更有效地完成此項工作。
圖 2 畫出了倒置降壓的功率級。和反激電源一樣，它包含兩個開關元件、一個磁性元件（是一個功率電感器而不是變壓器）和兩個電容器。顧名思義，倒置降壓拓撲類似于降壓轉換器。開關產生一個介于輸入電壓和地之間的開關波形，然后通過電感電容網絡濾波。區別在于輸出電壓穩壓成低于輸入電壓的電位。即使輸出“浮動”在輸入電壓以下，它仍然可以正常為下游電子電路供電。
圖 2：倒置降壓功率級的簡化原理圖。
將 FET 設置在低側，反激控制器就可以直接對它驅動。圖 3 所示的倒置降壓拓撲使用 UCC28910 反激開關電源 IC 設計。1:1 耦合電感器充當磁開關元件。一次繞組充當功率級的電感器。二次繞組為控制器提供定時和輸出電壓調節信息，并為控制器的本地偏置電源（VDD）電容器充電。
圖 3：使用 UCC28910 反激開關電源 IC 的典型倒置降壓拓撲設計。
反激拓撲的一個缺點是能量通過變壓器傳遞的方式。這種拓撲在 FET 的導通時間內將能量存儲在氣隙中，然后在 FET 的關斷時間內將其傳輸到次級。實際的變壓器在初級側會有一定的漏感。當能量轉移到次級側時，剩余的能量會存儲在漏感中。這個能量是不能用的，需要使用齊納二極管或電阻電容網絡進行耗散。
在降壓拓撲中，漏電能在 FET 的關斷時間內通過二極管 D7 傳遞到輸出端。這樣可以減少元器件數量并提高效率。
另一個區別是每個磁性元件的設計和傳導損耗。因為倒置降壓拓撲只有一個繞組來傳輸電能，所以所有的電能傳輸電流都會通過它，這就實現了良好的銅利用率。反激拓撲則不具有這么好的銅利用率。當 FET 導通時，電流通過一次繞組，而二次繞組中卻沒有。當 FET 關斷時，電流通過二次繞組，而一次繞組中卻沒有。因此，在反激式設計中，變壓器要儲存更多的能量，并且需要使用更多的銅來提供相同的輸出功率。
圖 4 對具有相同輸入、輸出規格的降壓轉換器電感器和反激變壓器的原、副邊繞組的電流波形進行了比較。降壓轉換器電感器的波形在左側的單獨藍色框中，反激轉換器的原、副邊繞組在右側的兩個紅色框中。
對于各種波形來說，傳導損耗可以按均方根電流的平方乘以繞組電阻的方式來計算。因為降壓轉換器只有一個繞組，所以磁場中的總傳導損耗就是這一個繞組的損耗。然而，反激轉換器的總傳導損耗是原、副邊繞組損耗之和。此外，在相同的功率水平下，反激轉換器中磁性元件的物理尺寸要比倒置降壓設計更大。兩個元件的儲能均等于½ L × IPK2。
對于圖 4 所示的波形，根據計算，倒置降壓設計所需存儲的電能僅為反激設計的 1/4。因此，與相同功率的反激設計相比，倒置降壓設計的尺寸要小得多。
圖 4：降壓拓撲與反激拓撲中電流波形的比較。
當不需要隔離時，反激拓撲并不總是小功率離線應用的最佳解決方案。倒置降壓拓撲由于可以使用更小的變壓器 / 電感器，因此可以提供更高的效率和更低的 BOM 成本。對于電力電子領域的設計人員來說，對于給定的規格，必須要考慮所有可能的拓撲解決方案，從而確定最佳匹配。
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