淺談順向式(Forward)切換式電源

        切換式電源(Switch Mode Power Supply, SMPS)的種類繁多，若依照電氣是否需要隔離可分為非隔離式(Non-Isolation)與隔離式(Isolation)，在非隔離式切換電源比較常見架構(Topology)包括降壓式(Buck)、升壓式(Boost)、升降壓式(Buck-Boost)。在隔離式切換電源比較常見架構包括返馳式(Flyback)、順向式(Forward)、半橋式(Half-Bridge)與全橋式(Full-Bridge)，切換式電源的分類可參照表1，這些切換式電源各有其優缺點與其適合的應用場合，今天我們就來淺聊一下順向式切換電源的架構、動作原理及其應用場合。

       順向式與返馳式切換電源線路架構非常相近，順向式切換電源在二次側多了儲能電感與飛輪二極體(Free-Wheeling Diode)，其線路圖如下圖一所示，但其動作原理就差異很大了。返馳式切換電源是當開關導通時將能量儲存在變壓器，當開關截止時再透過變壓器將能量傳遞至二次側。而順向式切換電源就不一樣，它是當開關導通時將能量透過變壓器直接將能量傳遞到二次側。因此，順向式切換電源能處理的功率相對就比返馳式切換電源來的大。
        
           圖一、順向式切換電源架構(Note: 線路圖來源為電源設計技術資訊網站)

       順向式切換動作原理說明如下: 當切換開關導通時(Q1, Turn-on)，此時二極體D1是導通的，電源的能量經由變壓器傳遞至二次側對儲能電感(L)與負載充電。當切換開關截止時(Q1, Turn-off)，此時二極體D1是截止的，儲存在電感的能量經由飛輪二極體D2對負載充電。其順向式切換電源的動作波形時序圖如圖二所示。
        
              圖二、順向式切換電源的波形(Note: 波形來源為電源設計技術資訊網站)

        從上述的順向式切換電源的動作原理可以得知，當輸出電壓比輸入電壓大時，變壓器一次側電流就會變大，相對的重置線路的損耗也會跟著變大，再來二次側整流二極體D1的電壓應力也會大增。因此，順向式切換電源通常會用應用在輸出為低壓電大流的場合，例如電源磚(Power Brick)、5G或PoE的備用電源應用場合。

       安森美半導體(ON Semiconductor)在順向式切換電源管理IC也推出一系列的產品如: SG3525A、NCP1566等電源管理IC。近年來所推出NCP1566是一款QFN、24pin、4x4大小(如圖三所示)的高性能版順向式切換電源控制IC，它適用在100V直流輸入電壓的應用場合，圖四為NCP1566典型電壓模式控制應用線路，圖五為NCP1566典型峰值電流模式控制應用線路。NCP1566有下列幾項特色:

1. 提供電壓模式(Voltage Mode)與峰值電流模式(Peak Current Mode)控制。
2. 自適應重疊時間控制(Adaptive Overlap time Control)。
3. 提供線路欠電壓鎖定(UVLO)
4. 具有120V 高壓啟動電路的自供電操作線路
5. 可編程最大佔空比的箝位(Max Duty-Ratio Clamp)
6. 可編程軟啟動時間(Soft-Start)
7. 高驅動能力

      NCP1566適合應用很適合應用在直流輸入且需要隔離的應用場合，例如:高效率的DC-DC轉換器、伺服器電源、24V或48V 的電信系統或42V汽車應用。

      
             圖三、NCP1566 QFN24、4x4 包裝示意圖
      

     
             圖四、NCP1566 電壓控制模式的應用線路(Note: 線路圖來源為Onsemi官網)

      
      
          圖五、NCP1566 峰值電流控制模式的應用線路(Note: 線路圖來源為Onsemi官網)