| 提供“电压为5V,电流为50A,效率为90%”的设计是设计人员当前众多应用（包括电信和汽车系统中的应用）设计电源时面临的典型目标。加上必须向多个隔离的功率输出提供高负载电流,进一步加大了电源系统设计的复杂程度。因此,设计人员转向更具挑战性的DC-DC电源结构设计以满足设计目标。
其中一个方式是从设计基本的降压DC-DC转换器开始,然后添加或串联第二级以增强电源的性能。但是,第二级并不仅仅是添加的回馈式转换器级。还使用其他电源结构。实际上,有许多串联式电源结构可让你考虑应用在下一个设计方案,并且达到高效率及高电源密度的需求。
过去,许多设计人员不愿意使用串联电源结构,因为这样会增加设计的复杂程度,并且会增加零件数量。但是现在推出了专门设计用于推挽和串联电源结构的控制器,从而更加容易设计零件数量减少的无故障电源。
首先,在探究使用串联电源结构的优点和折中之前,我们将讨论三个电源结构的特性——降压转换器、正向转换器和推挽转换器。然后,我们可以很容易弄明白如何通过组合或串联基本构件,设计效率更高、输出更高的电源系统。
首先设计降压转换器
在普通的单个开关功率转换器电源结构中,降压转换器是最知名且使用最为广泛的一种。由于该转换器将用作讨论的所有串联电源结构的基本构件,因此让我们快速回顾一下它的特性。
| 图1效率高且调节范围宽的降压转换器是众多串联电源设计的基本钩件 | 
降压转换器具有非常高的转换效率以及非常宽的电压调节范围,加上成本较低,使其成为众多设计中最受欢迎的选择。但是,降压转换器限于非隔离型单输出电压,并且它只能供应比输入电压低的电源。
降压转换器由交换部分（Q1和D1）和输出滤波器（L1和C1）组成。输出电压Vout等于Vin×D,其中D为主开关Q1的工作周期。
流经电感器的电流由两个部分组成：来自Q1的开关电流和来自D1的整流器电流。我们假定电感器电流在切换周期期间从不返回到零,即,转换器始终以“连续模式”工作。
稍后,当我们构建串联转换器时,我们要探究降压转换器的高效率,以及它在宽广输入电压范围中调节输出的能力,同时克服非隔离单输出限制的功能。
正向转换器是具有附加隔离变压器的降压转换器。它的一个甚或多个输出均被隔离,并且可作为升压或降压（参见表1）。它的电压转移函数与降压转换器的电压转移函数相同,并增加匝数比条件：Vout=Vin×D×Ns/Np。
| 类型 | 降压 | 正向 | 推挽 | | 隔离输入 | 否 | 是 是 | | | 输出电压电平 | 仅限于降压 | 升压或降压 | 升压或降压 | | 输出数 | 仅限于单个输出 | 可多个输出 | 可多个输出 | | 转换效率 | 非常高 | | | | 输出纹波电流 | 低 | 低 低 | | | 电压调节输出 | 宽 | 有限 | 宽 | | 备注 | 需要高端（隔离）门驱动,并且可能会成设计上困难 | 有限调节范围,不能用于输入电压范围较宽的应用中 | 主开关上的电压应力是Vin的两倍 |
但是,由于需要在每个切换周期复位变压器,因此在每个切换周期期间复位变压器的时间将减少主开关处于打开状态的潜在时间。减少潜在的ON时间（降低D）将降低转换器可以调整的输入电压范围。这是正向电源结构的折中之处：有限调整的隔离输出（逐步升压或逐步降压）。因此,正向转换器不是要使用的最佳构件。但是,通过采用正向转换器的思想以及添加第二个初级变压器,您可以获得有用的推挽电源结构。
推挽转换器中的主开关交替为它们各自的绕组供电。当Q1处于导通状态时,电流流经D1。当Q2处于导通状态时,电流流经D2。次级绕组的排列方式采用中心抽头配置。因此,输出滤波器的切换频率是Q1或Q2的两倍。这意味着可以在推挽设计中使用较小的变压器和滤波器。
 与正向电源结构相比,推挽电源结构的主要优点是变压器可以自动复位。因此,它无需占用主开关处于打开状态的可用时间;从而不会降低转换器可以调整的输入电压范围。因此,推挽转换器可以调整范围更为广泛的输入电压。
与正向电源结构相比,推挽电源结构的第二个主要优点是它的变压器可以在B-H曲线更宽的部分内工作。（参见图3）其优点是推挽变压器提供的功率是正向变压器的两倍。
美国国家半导体公司已开发出专门设计用于推挽电源结构的控制器——LM5030。由于该控制器中包括很多您想包括在推挽设计中的功能电路,因此在使用LM5030的设计中只需较少的组件。
以下简要列出LM5030的特点：
● 内部15??100V启动调节器
● 具有内部斜率补偿的电流模式控制
● 使用单个电阻器设置频率——100kHz??600kHz
● 可控制与外部振荡器保持同步
● 误差放大器
● 精度1.25V参考电压
● 可编程软启动
● 双模过电流保护
● 直接光耦合器介面
● 热停机保护
| 图3 由于推挽电源结构在变压器B--HQU曲线的更大的区域内工作,因此推挽变压器的功率处理能力是正向变压器的两倍 |
串联使功能最大化
但是,推挽设计存在以下局限性：推挽转换器中的主开关比降压或正向电源结构承受更高的电压应力。该电压应力相当于输入电压Vin的两倍。这是由于变压器电压从有源初级电图“反射”无源初级线图,因此使非活动开关的漏极上的电压加倍。
对于典型的电信应用,这意味着漏极上存在72??150V（36V到75V的两倍）的电压应力。
不过,推挽转换器具有我们所需的众多优点：隔离式的多个输出、升压和降压功能、使用更小的组件获得更高的功率处理能力Ｒ虼耍怪骺厣系牡缪褂αψ钚。柙谕仆熳黄鞯那懊嫣砑咏笛棺黄鳌Ｕ庋颐强梢越档秃涂刂瞥鱿衷谕仆旒兜氖淙氲缪梗惨虼私档推涑跫断呷ι系牡缪褂αΑＪ导噬希仆旒端鱿值牡缪菇抵罺out×N×2,其中N表示变压器的匝数比。这适用于所有线路状况,因为降压转换器提供完全调整过后的输入电压给推挽级。
这意味着经由降低和固定的电压应力,可以方便地最佳化推挽级的输出整流,并且由于在所有负载和线路状况中,均在整流器之间平均分配功率,因此可以进一步最佳化输出整流。
通过串联降压/推挽转换器可以简化控制器设计。现在只有使用单个开关的降压级才需要使用脉冲宽度调制器件进行控制,以便调整串联转换器的Vout。推挽级可以简单地受控于持续工作的振荡器,以50%工作周期交替。
美国国家半导体最近推出了专门设计用于串联电源结构的控制器,因此不必为您的设计开发两个控制器,即不必为每个级开发一个控制器。LM5041包括用于降压级的PWM控制器,以及用于推挽级的振荡器和驱动器。您可以使用单个电阻器设置推挽驱动器的空载时间或重叠时间。您可以选择介于50??500ns之间的值精度为15%的温度范围。
降压级控制器的四个输出与美国国家半导体新推出的LM5100系列降压级门驱动器配合使用,可以简化设计中这个方面的问题。
LM5041中使用的偏压、控制和保护电路与前面所述的LM5030非常类似。但是,LM5041具有独特的功能,低电压锁定(UVLO),且具有可调整的滞后作用。
通过使用LM5041之类的串联PWM控制器,您可以减少串联降压/推挽转换器设计中的组件数。通过从电压反馈降压/推挽转换器进展到电流反馈转换器设计,您可以去除附加组件,实际上可以从您的设计中去除两大组件（参见图4）。
经由去除降压级的输出滤波电容器,转换器将变为电流馈电设计,因为只有降压电感器充当向推挽级馈电的电流源。在这种情况下,推挽开关在转换传输时只需要具有非常小的重叠,就可以维护电感器的电流通路。（电压反馈转换器刚好相反,在转换传输时只需较少的空载时间。可以使用LM5041控制器上的TIME引脚对二者进行设置。）
除了降压滤波电容器之外,还可以去掉推挽输出电感器。这意味着在您的设计中无需使用高电流输出电感器,只需在输入端使用一个电感器,它具有较低的电流要求。
串联方式众多优点中的其中之一就是减少了推挽级开关中的交换损耗。这一点非常重要,因为3.3V功率转换器的典型功率损耗预算中有40%的损耗出现在次级整流中。
表2比较了至此我们已讨论的三个电源结构的次级整流器应力。用作比较的示例是输入为35??80V以及输出为3.3V。
在上半部的图表,比较了电压应力。正如您从正向和推挽电源结构中看到的那样,电压应力与输入电压成比例。在高压线路状况下,计算出的应力远远高于串联电源结构的应力,串联电源结构的整流器应力只与Vout成比例。
这三个被比较的电源结构都具有两个次级整流器。下面是表比较了每个电源结构的ON时间比。推挽和串联电源结构在两个次级整流器上具有平衡负载。正向电源结构整流器上的负载比与输入电压成比例。使用平衡负载更容易实现最佳且可靠的设计。
总之,尽管所有三个电源结构导致将功率提供给隔离输出,并且单级正向和推挽电源结构更易于使用较少的零件进行设计,但是串联降压/推挽电源结构可应用於更加可靠且应力较小的设计。
 图5是串联推挽转换器所提供的典型功率输出的示例。但是,如果需要增加功率性能,可以在您的设计中替换半桥级或全桥级。
如果在您的设计中使用半桥级替换推挽级,则半桥级将为电压反馈,因为需要一对分路电容器以便进行正确操作。（另外,在设计中再次引入了一个小的输出级电感器。）半桥方式具有进一步降低初级端开关上电压应力的优点。半桥级FET应力降至Vout×N。这是推挽电源结构的应力的一半。另一个优点是只需一个初级绕组。
如果在您的设计中使用全桥级替换推挽级,则全桥为电流反馈。无需使用一对分路电容器或输出级电感器。如同半桥方式一样,初级端开关上的电压应力降至Vout×N。其他优点是电流为半桥级电流的一半。
因此,通过在电源设计中从单级电源结构移向串联方式,可以满足下一个设计中的效率和密度目标。现在,有了专用控制器,串联推挽方式更容易设计了。对于更高的负载电流要求,您可以在设计的隔离式电源使用半桥或全桥电源结构,而不使用推挽电源结构。
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