Какой преобразователь лучше: обратноходовой или прямоходовой?

В статье рассматриваются прямоходовые и обратноходовые преобразователи, обсуждаются характеристики прямоходовой топологий с активным ограничением и обратноходовой схемы, работающей в режиме непрерывных токов, а так же демонстрируются преимущества и недостатки каждой из них на примере двух источников питания
1520
В избранное

Введение

Битлз или Роулинг Стоунз? Майкл Джордан или Леброн Джеймс? Бифштекс глубокой или средней прожарки? Прямоходовой или обратноходовой преобразователь? Это лишь некоторые из вечных вопросов, по которым люди спорят на протяжении многих лет, энергично отстаивают свое мнение и не находят единственно верного ответа. Но, по правде говоря, в каждом из этих примеров оба варианта ответа имеют свои преимущества, а потому, правильным ответом может быть и тот и другой.

В этой статье мы сосредоточимся на прямоходовых и обратноходовых преобразователях. Мы обсудим характеристики прямоходовой топологий с активным ограничением и обратноходовой схемы, работающей в режиме непрерывных токов (continuous conduction mode), продемонстрируем преимущества и недостатки каждой из них на примере двух источников питания. В частности, мы рассмотрим PoE-источники питания (Power over Ethernet) мощностью 51 Вт, которые соответствуют стандарту IEEE 802.3bt и предназначены для телекоммуникационных приложений.

В новом стандарте максимальная мощность была увеличена до 71 Вт, благодаря чему прямоходовая топология стала более привлекательной, чем она была ранее, когда максимальная мощность составляла 25,5 Вт. В то же время появляются новые типоразмеры и технологии сердечников трансформаторов, что приводит к увеличению мощности и эффективности обратноходовых преобразователей. В результате этих улучшений, а также благодаря развитию силовых полупроводниковых ключей, требуется по-новому взглянуть на вопрос: какой же преобразователь лучше: прямоходовой или обратноходовой?

Анализ принципов работы и особенностей прямоходовых и обратноходовых преобразователей выходит за рамки данной статьи. Тем не менее, выполняемый в статье краткий обзор каждой топологии, помогает выделить сходства и различия, а также сильные и слабые стороны обоих типов преобразователей.

Прямоходовой преобразователь с активным ограничением

Типовая схема прямоходового преобразователя с активным ограничением показана на рисунке 1. Для простоты на схеме представлены только силовые ключи, трансформатор, выходной фильтр и контроллер. Вспомогательные компоненты, например, относящиеся к обвязке контроллера, не показаны для большей наглядности.

Прямоходовой преобразователь с активным ограничением

Рис. 1. Прямоходовой преобразователь с активным ограничением

Контроллер управляет двумя силовыми МОП-транзисторами QPRI и QCLAMP, расположенными на первичной стороне. Ключи коммутируются поочередно с высокой частотой (100 кГц). Когда один силовой транзистор включен, другой должен быть выключен. Отношение части периода, в течение которого QPRI включен (QCLAMP выключен), к полному периоду коммутации называется рабочим циклом или коэффициентом заполнения D. Рабочий цикл определяет плотность следования импульсов напряжения в первичной обмотке трансформатора VPRI. Благодаря магнитной связи между обмотками эти импульсы передаются на вторичную сторону преобразователя. Напряжение на вторичной обмотке VSEC масштабируется в соответствии с коэффициентом трансформации (N), определяемым соотношением числа витков в обмотках.

Напряжение на вторичной стороне выпрямляется с помощью синхронного выпрямителя, состоящего из силовых МОП-транзисторов QFWD и QFREE. Выпрямленное напряжение поступает на выходной фильтр, образованный индуктивностью LOUT и конденсатором COUT. Этот низкочастотный LC-фильтр необходим для преобразования последовательности импульсов в постоянное напряжение на выходе источника питания. Выходное напряжение оказывается пропорциональным величине рабочего цикла D и коэффициенту трансформации N. Импульсы напряжения на вторичной обмотке (VSEC) также часто используются для управления силовыми МОП-транзисторами, которые выполняют функцию выпрямительных диодов. Такая схема называется схемой синхронного выпрямления (Synchronous Rectifcation , SR). Она обеспечивает более высокую эффективность, по сравнению с обычными диодами.

Обратноходовая топология

Типовая схема обратноходового преобразователя показана на рис. 2. Контроллер управляет силовым МОП-транзистором, расположенным на первичной стороне (QPRI), и МОП-транзистором синхронного выпрямителя на вторичной стороне (QSYNC). Включение транзисторов происходит поочередно. Как и в случае с прямоходовым преобразователем, силовой ключ QPRI коммутируется с высокой частотой и изменяемым рабочим циклом D. Напряжение на первичной обмотке трансформатора VPRI передается на вторичную сторону VSEC. В отличие от рассмотренной ранее прямоходовой схемы, накопление энергии происходит непосредственно в трансформаторе в интервалах, когда включен транзистор QPRI. Затем, когда QPRI выключается, включается QSYNC, и накопленная энергия передается в нагрузку.

Обратноходовой преобразователь с синхронным выпрямлением

Рис. 2. Обратноходовой преобразователь с синхронным выпрямлением

Таким образом, транзистор QSYNC отвечает за выпрямление переменного импульсного напряжения на вторичной обмотке. Для включения и выключения QSYNC необходим сигнал управления, формируемый контроллером, который расположен на первичной стороне. Для гальванической развязки этого сигнала используется дополнительный маломощный трансформатор.

Схема фильтрации в обратноходовой топологии также отличается от схемы, применяемой в прямоходовых преобразователях. В качестве индуктивности выходного LC-фильтра выступает вторичная обмотка трансформатора. Результирующее постоянное напряжение VOUT1 на выходе источника питания оказывается пропорциональным значению D и коэффициенту трансформации N. В дополнение к основному LC-фильтру, образованному вторичной обмоткой и конденсатором COUT1, часто используют опциональный LC-фильтр, содержащий индуктивность LOUT2 и емкость COUT2. Этот низкочастотный фильтр еще больше ослабляет уровень пульсаций напряжения VOUT2 на выходе источника питания.

Сравнение преобразователей

Сравнение количества компонентов и качества выходной фильтрации

Пожалуй, проще всего сравнивать прямоходовую и обратноходовую топологии по числу используемых компонентов. Этот пункт достаточно важен, особенно с учетом влияния, которое он оказывает на габариты и стоимость источника питания. На рис. 3 показана упрощенная схема традиционного обратноходового преобразователя. Транзистор QSYNC, используемый в схеме на рис. 2, был заменен обычным диодом. Дополнительный фильтр LC-фильтр был исключен.

Упрощенная схема традиционного обратноходового преобразователя (с выпрямительными диодами)

Рис. 3. Упрощенная схема традиционного обратноходового преобразователя (с выпрямительными диодами)

Аналогичным образом можем получить упрощенную схему традиционного прямоходового преобразователя, в котором транзисторы синхронного выпрямителя также заменены на диоды (рис. 4). Как видно из таблицы 1, обратноходовой преобразователь является очевидным победителем по количеству используемых компонентов. По этой причине общепринятым является мнение, согласно которому обратноходовой преобразователь всегда проще и дешевле.

Упрощенная схема традиционного прямоходового преобразователя (с выпрямительными диодами)

Рис. 4. Упрощенная схема традиционного прямоходового преобразователя (с выпрямительными диодами)

Таблица 1. Перечень компонентов, используемых в прямоходовом и обратноходовом преобразователях (в порядке уменьшения стоимости)

Компоненты в порядке уменьшения стоимости

Прямоходовой

Обратноходовой

Традиционный

Современный

Традиционный

Современный

Силовой трансформатор

1

1

1

1

Контроллер (ИС)

1

1

1

1

Силовые транзисторы

2

4

2

1

Выходная индуктивность

1

1

1

0

Сигнальный трансформатор

0

0

1

0

Выпрямительные диоды

2

0

0

1

Выходная емкость

1

1

2

1

Итого

8

8

8

5

Тем не менее, современные прямоходовые и обратноходовые источники питания для телекоммуникационных приложений часто используют схемы синхронного выпрямления, как это показано на рисунках 1 и 2, а также двухступенчатый выходной фильтр в обратноходовых преобразователях. В результате, как видно из Таблицы 1, это сокращает разрыв по количеству компонентов и сложности реализации между двумя топологиями, что делает спорным утверждение о том, что обратноходовой преобразователь всегда проще и дешевле.

Практически повсеместное использование синхронного выпрямления обусловлено несколькими основными факторами:

  • постоянным снижением стоимости силовых МОП-транзисторов и контроллеров, поддерживающих функцию синхронного выпрямления;
  • уменьшением выходного напряжения и повышением выходной мощности современных источников питания.

Очевидно, что попытка использовать обычный диодный выпрямитель в преобразователях с выходным напряжением 3,3 В и током 20 А вряд ли окажется успешной. Выпрямление тока 20 А, даже с диодом Шоттки, приведет к потере приблизительно 10 Вт мощности, если прямое падение напряжения на диоде составляет 0,5 В. Выделяемое на диодах тепло будет чрезвычайно сложно отвести, не говоря уже о снижении эффективности источника питания. Это сильно контрастирует с показателями синхронного выпрямителя на МОП-транзисторах, который может без проблем иметь сопротивление около 2,5 мОм. В таком случае полевой транзистор рассеивает всего лишь около (20 А) 2 х 2,5 мОм = 1 Вт. Отвести от силового ключа мощность 1 Вт, выделяемую в виде тепла, уже намного проще. Как правило, для охлаждения диода придется использовать большой и дорогой радиатор, в то время как для охлаждения МОП-транзистора будет достаточно теплоотвода, обеспечиваемого печатной платой определенного размера.

В прямоходовых преобразователях для управления МОП-транзисторами синхронного выпрямителя в простейшем случае можно подключить выводы вторичной обмотки к затворам транзисторов, как это показано на рис/ 1. Этот метод часто называется синхронным выпрямлением с самостоятельным управлением (Self-Driven Synchronous Rectifcation, SDSR). Если напряжение на вторичной обмотке оказывается слишком высоким, то может потребоваться дополнительная схема сдвига уровней или схема ограничения, которые призваны не допустить превышения максимального напряжения на затворах МОП-транзисторов. Поскольку эти схемы относительно просты и используют недорогие компоненты, то они не учитываются в таблице 1.

В отличие от прямоходовых преобразователей, обратноходовые преобразователи по каким-то эзотерическим причинам плохо работают со схемой синхронного выпрямления с самостоятельным управлением SDSR. В результате, как уже было сказано выше, для управления МОП-транзистором синхронного выпрямителя, расположенного на вторичной стороне, требуется дополнительный сигнальный трансформатор для передачи сигнала управления затвором. Использование новых миниатюрных трансформаторов серии LPD8035V от Coilcraft с рейтингом напряжения 1500 Vrms позволяет безболезненно решить проблему стоимости и габаритов.

Еще одной причиной сокращения разрыва по количеству используемых компонентов между двумя топологиями источников питания является добавление второго LC-фильтра в обратноходовых преобразователях. Часто можно встретить утверждение о том, что обратноходовые преобразователи являются более шумными, чем прямоходовые из-за значительных пульсаций тока во вторичных обмотках. Это означает, что если вы используете одноступенчатый LC-фильтр в обратноходовом преобразователе, то вам потребуется гораздо большая индуктивность и конденсатор, чтобы получить такой же уровень пульсаций выходного напряжения, как и у прямоходового преобразователя. На практике для решения указанной проблемы можно применять несколько подходов:

  • использовать силовой трансформатор с большой индуктивностью;
  • использовать большой выходной конденсатор;
  • использовать двухступенчатый LC-фильтр.

Первые два варианта обычно оказываются более дорогими. При использовании двухступенчатого LC-фильтра, каждый из компонентов может выбираться исходя из оптимизации конкретного параметра схемы (низкого тока пульсации, низких потерь в сердечнике и т. д.). В результате, такой подход обеспечивает тот же уровень пульсаций напряжения при меньших габаритах и стоимости.

По указанным выше причинам современные прямоходовые и обратноходовые преобразователи мало отличаются по количеству используемых компонентов, габаритам и общей стоимости, в отличие от традиционных прямоходовых и обратноходовых источников питания. В таблице 2 показаны результаты практического сравнения габаритов и стоимости современного обратноходового преобразователя (рис. 5 сверху) и современного прямоходового преобразователя (рис. 5 снизу). Оба источника питания имеют выходное напряжение 12 В и мощность 51 Вт. Они построены на базе контроллера LT4295 PD от Analog Devices. Фотографии печатных плат представлены на рис. 5, а упрощенные принципиальные схемы на рисунках 1 и 2. Как видно из таблицы 2, обратноходовой преобразователь по-прежнему остается более компактным и менее дорогим, но разница уже не столь значительная.

Таблица 2. Сравнение характеристик реальных современных преобразователей

Параметр

Прямоходовой

Обратноходовой

Размер (кв. дюймы)

3,2

2,6

Стоимость (относительная)

100%

90%

КПД при 4 А

94,30%

92,80%

Максимальное напряжение на силовом транзисторе (первичная обмотка)

90 В

146 В

Максимальное напряжение на силовом транзисторе (вторичная обмотка)

85 В

126 В

Примеры прямоходового и обратноходового преобразователей

Рис. 5. Примеры прямоходового и обратноходового преобразователей

Сравнение эффективности

Другое распространенное убеждение заключается в том, что прямоходовые источники питания намного эффективнее, чем обратноходовые. Раньше такое утверждение было вполне обоснованным. Это достаточно просто объяснялось тем, что прямоходовые преобразователи имеют в два раза больше полевых транзисторов, диодов и магнитных компонентов (трансформаторов и индуктивностей), как видно из рисунков 3 и 4. С удвоенным количеством элементов легче выполнить оптимизацию каждого отдельного компонента и равномерно распределить рассеиваемую мощность.

Например, трансформатор обратноходового преобразователя выполняет две функции: обеспечивает гальваническую развязку и выступает в качестве индуктивности LC-фильтра. В то время как в прямоходовых источниках питания за это отвечают разные компоненты: гальваническую развязку обеспечивает трансформатор, а в LC-фильтре используется отдельная индуктивность. Это позволяет выбирать индуктивности с более низким сопротивлением и трансформатор с меньшим размером сердечника, что приводит к уменьшению уровня потерь.

Другим примером получения дополнительного преимущества от использования удвоенного числа компонентов является использование силовых транзисторов. Как видно из рисунков 3 и 4, в прямоходовом преобразователе на первичной стороне используется два МОП-транзистора, а у обратноходового только один. Точно также и выпрямитель прямоходового преобразователя содержит два диода, в то время как в обратноходовом только один. Это ставит обратноходовой преобразователь в невыгодное положение, так как ток на его первичной стороне коммутируется одним МОП-транзистором, а выпрямление тока на вторичной стороне обеспечивается единственным диодом. В прошлом разработчикам источников питания приходилось применять дорогие, громоздкие и неэффективные силовые компоненты. Это приводило к высокой рассеиваемой мощности, повышенному тепловыделению и, следовательно, к снижению КПД источника питания.

Использование современных технологий и компонентов значительно сократило разрыв в эффективности между двумя топологиями. Например, применение схемы синхронного выпрямления с современными полевыми транзисторами привело к значительному уменьшению вклада потерь выпрямителя в общие потери источника питания. Благодаря длительному процессу развития и совершенствованию МОП-транзисторов, силовые ключи на первичной стороне преобразователей также вносят все меньший вклад в общий уровень потерь. Увеличение разнообразия форм и размеров сердечников, а также доступных материалов привело к появлению компактных, эффективных и бюджетных трансформаторов для обратноходовых преобразователей. Примером использования новых сердечников являются трансформаторы Coilcraft, в частности серия POE51Q-12E для обратноходовых преобразователей и серия FCT1-120Q3SE для прямоходовых преобразователей, которые соответствуют требованиям стандарта IEEE 802.3bt. Результатом всего вышесказанного становится незначительный 1,5% разрыв в уровне эффективности между преобразователями, сравнение которых приведено в таблице 2. Графики зависимостей КПД от нагрузочного тока для этих преобразователей показаны на рис. 6.

Зависимость КПД от тока нагрузки

Рис. 6. Зависимость КПД от тока нагрузки

Выбросы напряжения на силовом транзисторе первичной стороны

По уровню выбросов напряжения на силовом ключе преимущество находится на стороне прямоходовых преобразователей с активным ограничением. Это является следствием нескольких факторов, но в первую очередь определяется более эффективной борьбой с влиянием индуктивности рассеяния трансформатора.

Индуктивность рассеяния является результатом неполной магнитной связи между первичной и вторичной обмотками, из-за чего не весь магнитный поток проходит через обе обмотки. Большие трансформаторы обычно характеризуется повышенной утечкой магнитного потока. Так как при равной выходной мощности габариты трансформаторов обратноходовых преобразователей обычно больше, чем у прямоходовых источников питания, то это приводит к более высокой индуктивности рассеяния.

Индуктивность рассеяния в обратноходовом преобразователе

Рис. 7. Индуктивность рассеяния в обратноходовом преобразователе

В эквивалентных схемах замещения индуктивность рассеяния обычно представляется в виде отдельной индуктивности (LLKG), которая включается последовательно с первичной обмоткой, как показано на рис. 7. Когда силовой МОП-транзистор на первичной стороне отключается, ток, протекающий в LLKG, не может измениться скачком. Он начинает протекать через относительно небольшую паразитную емкость стока транзистора (CPARASITIC), что вызывает колебания паразитного LC-контура с быстрым скачком напряжения (рис. 8). Этот скачок напряжения оказывается приложенным к стоку и может превысить рейтинг напряжения сток-исток силового ключа.

Выброс напряжения в обратноходовом преобразователе

Рис. 8. Выброс напряжения в обратноходовом преобразователе

Прямоходовой преобразователь с активным ограничением борется с проблемой выбросов напряжения при коммутациях особым способом. Для этого используется дополнительная цепь, образованная конденсатором CCLAMP и МОП-транзистором QCLAMP, как показано на рис. 1. Когда основной силовой транзистор первичной стороны QPRI отключается, ток индуктивности рассеяния перенаправляется в CCLAMP с помощью QCLAMP. Емкость CCLAMP значительно выше, чем паразитная емкость основного силового транзистора QPRI. При правильном выборе CCLAMP и своевременном включении транзистора QCLAMP выброс напряжения на стоке основного транзистора QPRI практически отсутствует, как показано на рис. 9. В таблице 2 приведены максимальные перенапряжения для МОП-транзисторов первичной стороны рассматриваемых преобразователей.

Выброс напряжения в прямоходовом преобразователе

Рис. 9. Выброс напряжения в прямоходовом преобразователе

Меньшие габариты трансформатора, по сравнению с обратноходовыми преобразователями, и схема активного ограничения выбросов при коммутациях являются причинами того, что перенапряжения на силовом МОП-транзисторе первичной стороны прямоходового преобразователя оказываются ниже. Этот факт позволяет выбирать транзисторы с меньшим рейтингом напряжения. С другой стороны, так как сопротивление открытого канала МОП-транзистора RDS(on) экспоненциально и обратно пропорционально номинальному напряжению, то прямоходовые источники питания вновь получают дополнительное преимущество по уровню эффективности. На рис. 10 отчетливо видно, что перегрев силового транзистора QPRI в прямоходовом преобразователе оказывается существенно ниже.

Распределение температуры на примере рассматриваемых преобразователей

Рис. 10. Распределение температуры на примере рассматриваемых преобразователей

Существенные выбросы напряжения являются одним из очевидных недостатков обратноходовых преобразователей. Учитывая критическое влияние перенапряжений на рейтинг изоляции источника питания становится очевидным, почему хорошая конструкция трансформатора должна быть оставлена на усмотрение экспертов. Инженеры Coilcraft знают о всех компромиссах, возникающих при проектировании современных обратноходовых и прямоходовых источников питания. Кроме многолетнего опыта, полученного при разработке нестандартных решений по индивидуальным требованиям заказчиков, широкая производственная база Coilcraft также обеспечивает качество, доступность и конкурентную стоимость продукции. 

Основное правило выбора между прямоходовым и обратноходовым преобразователем

В современных источниках питания ставятся под сомнение некоторые традиционные эмпирические правила выбора между прямоходовой топологией с активным ограничением и обратноходовой топологией, работающей в режиме непрерывных токов. Тем не менее, все же можно сделать некоторые промежуточные выводы, по крайней мере, в случае с источниками питания для телекоммуникационных приложений.

Современные прямоходовые преобразователи, как правило, более эффективны. Первая причина этого заключается в том, что схема активного ограничения позволяет использовать МОП-транзисторы с меньшим рейтингом напряжения и, как следствие, с более низким сопротивлением открытого канала RDS(on). Другая причина состоит в удвоении числа силовых компонентов. Например, в прямоходовых преобразователях используется два магнитных компонента: гальваническую развязку обеспечивает трансформатор, а в LC-фильтре используется отдельная индуктивность. Из рис. 10 видно, что нагрев магнитных элементов в прямоходовом преобразователе оказывается ниже, чем нагрев единственного трансформатора в обратноходовом источнике питания. Аналогичным образом распределение токовой нагрузки по двум силовым транзисторам обеспечивает повышение эффективности прямоходовых преобразователей по сравнению с обратноходовыми. Это особенно важно при создании источников питания с высоким нагрузочным током и низким выходным напряжением. Использование двух МОП-транзисторов в синхронном выпрямителе прямоходового преобразователя также позволяет эффективнее работать при большой токовой нагрузке.

Увеличение числа силовых компонентов помогает повысить эффективность прямоходового преобразователя, однако, с другой стороны, по этой же причине его стоимость оказывается выше. Кроме того, увеличение числа компонентов неизбежно приводит к росту площади печатной платы.

Итак, что лучше?

В статье было показано, что у прямоходовых и обратноходовых источников питания есть уникальные преимущества, которые позволяют оптимизировать различные показатели: стоимость, габаритные размеры и эффективность. Если подводить краткий итог, то можно отметить, что обратноходовые источники питания по-прежнему будут оптимальным выбором для большинства приложений из-за их низкой стоимости и сравнительно высокой эффективности. Если же требуется обеспечить максимальную эффективность, то в первую очередь следует рассмотреть возможность использования прямоходовой топологии.

Итак, какой преобразователь все-таки лучше: прямоходовой или обратноходовой?

Правильный ответ: Оба!

Используемая литература:

  1. Technical bulletin forward or flyback? Which is better? Both!
  2. Key parameters for selecting RF inductors

Сравнение позиций

  • ()