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MPS | 交叉调整率的改善之道

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生活中多路输出电源应用广泛,但是多路输出电源的交叉调整率是个头疼的问题。今天,我们就来讨论一下交叉调整率的改善之道!

如今,随着产品功能的丰富、系统结构的复杂和电源体积的限制,越来越多的场景需要多种不同的电压供电。因为电源结构简单、易于输出扩展,多路反激受到很大关注。

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图1:供电场景复杂繁多


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什么是交叉调整率?




在多路输出的开关电源里面,利用变压器的耦合关系,通过增加变压器绕组的数量,在同一个磁回路上分摊其能量,来满足多路的、不同电压的电源输出。

由于变压器漏感以及寄生参数的存在,当其他路带载时,对某一路输出电压会有一定影响。通常情况下,当主路输出满载,辅路输出轻载时,辅路输出电压将上升。当主路输出轻载,辅路输出满载时,辅路输出电压将下降。

那么交叉调整率概念公式如下所示:

S=∆Vo/Vo∙100% (最大电压变化量与其对应的额定电压的百分比)

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交叉调整率改善之道其一:降低漏感法




利用绕组间的互感耦合传递能量,由于漏感存在,在现实当中变压器的耦合系数不能做到1。副边绕组与副边绕组间的耦合不完全,造成LK1与LK2漏感大小不一样,就会导致两路分配到的电流不一致。

变压器漏感是交叉调整率的根源,那么优化交叉调整率的核心是——降低漏感。

1. 从变压器绕法入手,采用三明治绕法,使绕组间耦合更好。理论上来讲绕组交叠越多,耦合越好,漏感越小。

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图2:降低漏感法1

2. 多路输出电源副边绕组之间的漏感也会对交叉调整率带来较大影响。那么可以采用副边绕组并绕,副边绕组之间三明治绕法等方式来降低副边绕组之间的漏感,改善交叉调整率。

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图3:降低漏感法2

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交叉调整率改善之道其二:加权反馈法




它的原理在于牺牲一部分主输出绕组的调整率,来增加另一路输出绕组的调整率。

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图4:加权反馈法

根据如下公式可以看出,如果I3>I4,则Vo1在反馈中占据主要成分。在稳态条件下,Vo1的调整率会好于Vo2的调整率。

Vf=I∙R2

I3=K1*I=(Vo1-Vf)/R3,K1为Vo1路权重

I4=K2*I=(Vo2-Vf)/R4,K2为Vo2路权重,K1+K2=1

在多路输出的设计中分配原则是:主功率输出路应该分配到相对大的采样电流。那么可以根据两路输出的权重比来计算出采样电阻的值。

其中,加权法优点在于:

  • 线路简单,方便实现

  • 可自由选择精度最好的一组

同样缺点有:

  • 不适合对输出要求精度高的场合

  • 仅用于副边相互不隔离的应用

  • 不能两路输出同时得到改善

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交叉调整率改善之道其三:堆栈法




堆栈法仅是次级输出的一种结构,可以和加权法等结合应用。堆栈法可分为直流叠加和交流叠加两种。

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图5:堆栈法

堆栈法的交流叠加输出具有如下优点:

  • 调整率相比于独立绕组改善可观

  • 绕组的圈数减少

同样缺点也存在:

  • 低压绕组的线径承受的电流是两个输出的总和

  • 不能适用于负电压输出场合

直流叠加相比于交流叠加具有如下优点:

  • 减少二极管D2的应力

同样缺点也存在:

  • 低压绕组的线径和整流二极管D3承受的电流是两个输出的总和

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交叉调整率改善之道其四:二次稳压法




在对于系统输出精度较高的电路中同时功率也不是很大,可以在输出中增加LDO、DCDC等电路来满足电源需求。

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图6:二次稳压法

LDO的价格相对便宜,但这种策略也有局限,当电路的输出电流很大时,就会增加很大一部分的损耗,影响到器件的效率和可靠性。

DCDC电路在如今使用较多,它具有较高的精度,较高的效率。但是成本也会相对的增加。

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交叉调整率改善之道其五:假负载法




假负载法主要用于改善轻载时的交叉调整率,并且会有不错的效果,同样带来的问题就是空载损耗的增加使用此方法时要注意空载损耗是否符合样机的规格标准。

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图7:假负载法


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