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准谐振QR(quasi-resonant )在开关直流电源中的应用

准谐振QR(quasi-resonant )的概念

为实现软开关电源技术低功耗技术,利用谐振的原理,在电路中加入小电感或电容元件,克服开关直流电源电路内部产生的开关噪声(或者电磁干扰EMT)使开关两端的电压或电流的变化呈正弦波的变化规律,在开关管在电压过零ZVS (ZeroVoltage Switching)或电流过零ZCS (Zero Current Switching)的时候完成开关转换,以消除电压和电流的重叠,实现消除或减小功耗的目的。谐振只在整个电源能量变换的一个阶段—开关转换的时候完成(波形仍接近为方波),通过谐振使开关管在零电压(或最小电压)或者是零电流的时刻完成开关转换,同时又保持方波开关直流电源的高能量传输模式,因此称为准谐振(quasi-resanent )QR。

写在前面的话

全球对动力本钱下跌、环保和动力可继续性的关注正在推进欧盟、美国加州等地的相关机构相继推 出降低电子设备能耗的标准。交流输出电源,不管是独立式的还是集成在电子设备中的,都会形成 一定的动力糜费。首先,电源的效率不能够是 100% 的,局部能量在电源大负载任务时被糜费掉。 其次,当负载未被运用时,衔接交流线的电源会以待机功耗的方式耗费能量。

近年来,对电源效率等级的要求日趋严厉。最近,80% 以上的效率已成爲了根本规范。新建议的能 效规范更是要求效率到达 87%及以上。此外,只在满负载下测量效率的老方法已被淘汰。目前的新 规范触及了额外负载的 25%、50%、75% 和 100% 这四个点的四点均匀程度。异样地,最大允许待 机功耗也越来越遭到限制,欧盟提议一切设备的待机功耗均应低于 500mW,关于我们将讨论的电 视机,则小于 200mW。

除专家级的高效率电源设计范畴之外,电子设备中所用的功率范围从 1W 到 500W 的交流输出电 源 ,不断以来次要采用两种拓扑:规范 (或硬开关) 反激式 (flyback) 拓扑,和双开关正激拓扑。这 两种拓扑都很易于了解,而它们存在的成绩,以及如何予以防止,业界都已有充沛的看法。

不过,随着对效率的要求不时进步,这两种拓扑将逐步爲三种新的拓扑所取代:准谐振反激式拓 扑、LLC 谐振转换器拓扑和不对称半桥拓扑。准谐振反激式拓扑已被成功用于最低功率级到 200W 以上的范围。在 70W-100W 范围,LLC 谐振转换器比准谐振反激式拓扑更无效。而在这两个功率 级之上,不对称半桥转换器也很无效。

准谐振QR(quasi-resonant )的工作原理

准谐振和谐振拓扑都能够降低电路中的导通开关损耗。图 1 对比了连续传导模式 (CCM) 反激式、 准谐振反激式和 LLC 谐振转换器的导通开关波形。

所有情况下的开关损耗都由下式表示:

这里,PTurnOnLoss 为开关损耗;ID 为 漏极电流;VDS 是开关上的电压;COSSeff 是等效输出电容值(包 括杂散电容效应);tON 是导通时间,而 fSW 是开关频率。

准谐振QR(quasi-resonant )在开关直流电源中的应用

CCM 反激式转换器的开关损耗最高。对于输入电压范围很宽的设计,VDS 在 500V – 600V 左右,是 输入电压 VDC 与反射输出电压 VRO 之和。进入不连续传导模式 (DCM) 时,漏电流降为零,开关损 耗的第一项也随之降为零。在准谐振转换器中,若在电压波形的第一个 (或后一个) 波谷时导通,可 进一步降低损耗。图中虚线所示为准谐振转换器在第一个谷底导通时的漏极波形。

如果准谐振反激式转换器的匝数比为 20,输出电压为 5V,则 VRO 等于 100V,因此对于 375V 的总 线电压,开关将在 275V 时导通。若有效输出电容 COSSeff 为 73 pF,开关频率 fSW 为 66 kHz,则损 耗为 0。18W:

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对于标准 CCM 反激式转换器,开关与漏极电压振铃不同步。在最坏的情况下,漏极电压大于 VDC

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那么损耗将为 0.54W。故对于非连续模式反激式转换器,功耗在 0.18W 和 0.54W 之间波动,具体 取决于时序。影响时序的因素有输入电压和输出电流,两者的优化组合可提高效率,反之会降低效率。对非连续模式反激式转换器,这常表现为满负载效率曲线的异常变化。这时,输入电压改变而 输出电流 (及电压) 恒定。效率曲线随开关点前移而显示出波动。初级端电感的批次差异也会显示出 变化,从而改变效率。

谐振转换器采用了一种不同的技术来降低开关损耗。让我们回头再看看导通损耗公式,由式中可 见,如果 VDS 设为零,就根本没有损耗,这个原理被称为零电压开关 (ZVS),用于谐振转换器,尤 其是 LLC 谐振转换器,如图 1 所示。

准谐振QR(quasi-resonant )在开关直流电源中的应用

通过让电流反向流经开关,可实现零电压开关。当开关电流反向时,体 (body) (或外部反向并联) 二 极管把电压钳位在一个低值,例如 1V,这远低于前面提到的反激式转换器的 400V。

谐振转换器利用一个谐振电路来产生延时。两个 MOSFET 产生方波,并加载在谐振电路上。通过 选择合适的谐振电路,并把工作点设置在谐振点之上,流入谐振电路的电流可以非常接近正弦波, 因为高阶分量一般都大为衰减。正弦电流波形滞后于电压波形,因而当电压波形达到其过零点时, 电流仍为负,从而实现零电压开关。

结构

图 2 所示分别为准谐振转换器的电路示意图及 LLC 谐振转换器的模块示意图。准谐振转换器的电 路示意图看起来非常类似于反激式转换器,只是它带有一个帮助确定电压谷底时序的检测电路。

准谐振QR(quasi-resonant )在开关直流电源中的应用准谐振QR(quasi-resonant )在开关直流电源中的应用 

LLC 谐振转换器的模块示意图与双开关正激转换器截然不同。其之所以名曰“LLC”,是因为谐振 电路的工作由 3 个组件来完成:变压器的磁化电感 (Lm)、变压器的漏电感 (Llk) 和谐振电容 (Cr)。对 大漏电感的需求意味着必须一个额外的电感,或者是变压器的线圈需以增加漏电感的方式进行缠 绕,以使其增大。LLC 谐振转换器在初级端有一个半桥结构,但与双开关正激转换器不同的是,它 不需要任何二极管。此外,还带有一个双开关正激转换器所没有的谐振电容,以及两个输出二极管 与中心抽头变压器的输出相连。这些配置把谐振电路的交流输出整流为直流级,双开关正激应用所 需的大输出电感在这里就不再需要了。

对于给定的功率级,准谐振反激式变压器的尺寸是最大的,因为它先把所有能量存储在初级侧,然 后再将之转移到次级侧。双开关正激转换器则不然,它是在开关导通时把能量从初级侧转移到次级 侧。和反激式转换器一样,双向,所以在其它条件相同的情况下,对于给定的功率级,它的尺寸更小,无需考虑额外的漏电感或 者是在变压器中包含的漏电感。

频率和增益

准谐振和 LLC 谐振开关的优势都包括了降低导通损耗,但缺点是频率随负载减小而增大。两种转 换器的关断损耗都随频率的增大而变得严重。

 

这里,tOFF 是关断时间,在轻载时上述效应会降低效率。飞兆半导体的准谐振 FPS 功率开关产品 系列,比如 FSQ0165RN,采用了一种特殊技术“频率钳位” (frequency clamp) 来弥补准谐振控制器固 有的这种缺陷。控制器只需等待最短时间,对应最大频率,然后开关在下一个波谷时导通,这种方 法可以提高轻载下的效率。FPS FSFR2100 LLC 谐振转换器和包括 FSQ0165RN 在内的产品系列 都具有突发模式功能,可降低极轻负载下的功耗。对于 FSFR2100,如果系统需要,建议加入一个 采用了 FSQ510 这类器件的辅助电源,以保持低待机功耗。

LLC 谐振转换器的另一个局限性是它的增益动态范围非常有限。图 3 所示为一个 LLC 转换器的增 益特性与频率及负载的关系。这种拓扑之所以广受欢迎是由于其频率随负载变化的改变较小,在 100kHz 的谐振频率上限,频率不随负载变化而改变。不过,它的增益动态范围很小,在 1.0 到 1.4 之间,如果 1.2 的增益代表一个 220VAC 输入电压的系统获得所需输出电压的增益,则动态范围允 许 189VAC 到 264VAC 的输入电压范围。因此,这种拓扑不太可能适用于常见的输入电压范围,但 只要通过精心设计来实现保持时间 (hold-up time) 的条件,就可以用于欧洲的输入范围。LLC 谐振 转换器通常与功率因数校正级一起使用,后者可为 LLC 转换器提供调节良好的输入电压。

通过增大漏电感与磁化电感的比值,可以增加增益动态范围,但代价是轻载效率因磁化电流变大而 降低。实际上,这是通过采用第二个电感来实现的,因为如果漏电感太大的话,要获得可重复的漏 /磁化电感比值是有实际限制的。

准谐振QR(quasi-resonant )在开关直流电源中的应用


准谐振反激式和 LLC 谐振转换器在嵌入式交流输入电源中的应用越来越广泛。

准谐振转换器的实际工作范围上从超低功率级到 100W 左右。对于集成式解决方案,7W/12V 电源的满负载效率约为 81%;而对采用了带外部 MOSFET 的准谐振转换器的 70W/22V 电源,满负载效率则超过了 88%。前者的待机功耗远低于 150mW,后者的则小于 350mW。采用较低的输出电压,效率必然会迅速降到上述水平之下。一个 5W/5V 的电源将在输出二极管上消耗至少 10% 的额定输出功率。

准谐振拓扑还有一个好处是 EMI 远小于硬开关应用的,其频率将随 400V 输入电容上的纹波而变化,导致自然的频谱扩展。此外,由于开关行为在较低电压时发生,开关噪声减小,故共模 EMI噪声也相应减小。

LLC 谐振转换器的实际工作范围从 70W 左右到 500W 以上,带有一个 PFC 前端的 FSFR2100 已用于实现 200W 到 420W 的电源。对于高达 200W 的应用,一般无需使用 FSFR2100 上的散热器,但通常建议在输出端使用一些肖特基二极管,而这些往往需要散热器。此外,也可以采用同步整流方法,这时因为采用了 MOSFET (虽然 MOSFET 的控制信号不易产生),因此无需散热器。对于采用了肖特基二极管的应用,典型的峰值效率依照输入电压、输出电压和输出功率情况,大约在 90%到 95%之间。

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