實(shí)現(xiàn)高效率和低待機(jī)功耗的開關(guān)電源設(shè)計(jì)詳解

　　高效率和低待機(jī)功耗是現(xiàn)今開關(guān)電源設(shè)計(jì)的兩大難題，由于諧振拓?fù)浠騆LC拓?fù)淠軌驖M足高效率的要求，因而日益流行。然而在這種拓樸中，前PFC級必須在輕負(fù)載期間保持運(yùn)作，造成諧振回路中存在內(nèi)循環(huán)損耗，待機(jī)功耗成為一個頭疼問題。對于沒有附加輔助電源的應(yīng)用，LLC諧振拓?fù)潆y以滿足2013 ErP等新法規(guī)，在0.25W負(fù)載下輸入功率低于0.5W的要求。雙管反激式拓樸是能夠應(yīng)對效率和待機(jī)功耗兩大挑戰(zhàn)的解決方案，適用于75W~200W范圍的電源。它提供了與LLC諧振解決方案相當(dāng)?shù)男?，還有大幅改良的待機(jī)功率性能。雙管反激式拓樸能夠成為頗具吸引力的解決方案，可替代復(fù)雜的LLC諧振轉(zhuǎn)換器，用于筆記本電腦適配器、LED-TV電源、LED照明驅(qū)動器、一體型電腦電源和大功率充電器應(yīng)用。

　　設(shè)計(jì)開關(guān)電源的挑戰(zhàn)

　　現(xiàn)代設(shè)計(jì)開關(guān)電源的挑戰(zhàn)大致分為五個部分。

　　?低待機(jī)功耗

　　?高效率

　　?高功率密度

　　?高可靠性

　　?低成本

　　用于75W~200W應(yīng)用的理想解決方案，現(xiàn)有的單反激式轉(zhuǎn)換器解決方案為目前最普遍的解決方案之一，有低待機(jī)功耗、低成本和易于設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)而被大量使用，但對于未來更高它不能解決所有設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的單反激式轉(zhuǎn)換器解決方案面臨著很多困難，難以達(dá)到》 90%的低效率問題、低功率密度、過高的MOSFET漏源電壓和緩沖器損耗和發(fā)熱問題都不利于高可性的要求，而且限制功率范圍必須為150W以內(nèi)。

　　為了提高效率和功率密度，可零電壓切換的LLC轉(zhuǎn)換器解決方案被逐漸使用，但這也不能解決所有設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，例如，無輔助電源便不能滿足2013 ErP Lot 6要求（《0.5W@0.25W），還有在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中，對于變壓器容差和柵極驅(qū)動時限敏感的問題。

　　雙管反激解決方案（75~200W）

　　雙管反激解決方案分為三個部分，分別是FAN6920： BCM PFC + QR 組合；FAN7382： H/L 驅(qū)動器；FAN6204： SR控制器，如圖1所示。

　　圖1 飛兆半導(dǎo)體雙管反擊解決方案

　　雙管反激主要特點(diǎn)

　　雙管QR反激轉(zhuǎn)換器主要特點(diǎn)分為四個方面，它在低待機(jī)功耗、高效率、易于設(shè)計(jì)和低EMI方面有顯著的優(yōu)勢。

　　在低待機(jī)功耗方面，雙管QR反激轉(zhuǎn)換器能完全滿足2013 ErP Lot 6要求。在PIN《0.5W @230Vac; PO=0.25W；PIN《0.25W@ 230Vac（無負(fù)載時）。

　　在高效率方面，雙管QR反激轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)表現(xiàn)在漏電感能量可以回收至輸入，且無需有損耗的緩沖器；500V MOSFET可以用在初級端；初級端采用谷底開關(guān)以降低開關(guān)損耗；減小次級端整流器的電壓應(yīng)力；可使用可變PFC輸出電壓技術(shù)以提高整個系統(tǒng)的低壓線路效率。

　　雙管QR反激轉(zhuǎn)換器具有易于設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，它與熟知的傳統(tǒng)反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)相同，并且可以簡便地實(shí)現(xiàn)變壓器批量生產(chǎn)。它可以使用超低側(cè)高變壓器，無需考慮泄漏電感。

　　在EMI方面，雙管QR反激轉(zhuǎn)換器具有低EMI，漏極過沖電壓被箝制在輸入電壓上；谷底開關(guān)等特點(diǎn)。

　　雙管反激基本工作原理

　　雙管反激與單管反激的基本原理相似，只是多了一個階段2。階段1、3、4與零諧振單管反激的工作原理相同。階段1： Q1和Q2同時導(dǎo)通，變壓器的電感電流將會線性增加并將能量儲存于變壓器中；當(dāng)2個MOS管關(guān)閉時候就進(jìn)入階段2；階段2：因?yàn)槁└兴纬傻母呗┰措妷簳?dǎo)致2個回收二極體導(dǎo)通，Q1和Q2截止，D1，D2導(dǎo)通；當(dāng)漏感能量回收完畢，進(jìn)入階段3；階段 3和4： Q1和Q2 截止，D1和D2截止。

　　雙管反激的好處

　　雙管反激的好處之一就是減少能量損耗。無緩沖器損耗和發(fā)熱問題，漏電感能量可回收在大容量電容器中。

　　雙管反激拓?fù)涞暮锰幹歉呖煽啃院偷烷_關(guān)損耗。由于低MOSFET漏源電壓得到良好的可靠性，允許大匝數(shù)比（n）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)近似于ZVS開關(guān)的低開關(guān)損耗。

　　雙管反激拓?fù)涞暮锰幹菧p小次級端傳導(dǎo)損耗。SR MOSFET的VDS為：VIN/n+VOUT，大匝數(shù)比n對于SR MOSFET的好處是大n意味著較低的VDS，即較低MOSFET Ron，這樣就得到了較低價格，降低了成本得到了較高的效率。舉例說明，當(dāng)VIN = 420V，Vo=12V，n= 12，那么，VDS=420V/12 +12V=47V，則可以選擇60V或75V SR MOSFET。

　　雙管反激拓?fù)涞暮锰幹氖强梢蕴岣叩蛪壕€路效率。兩級PFC輸出以提高低壓線路效率。

　　雙管反激拓?fù)涞暮锰幹迨翘岣咻p負(fù)載效率。深度擴(kuò)展谷底開關(guān)（最多第12個谷底周期）允許輕負(fù)載下的低工作頻率。

　　雙管反激拓?fù)涞暮锰幹菍?shí)現(xiàn)低待機(jī)功耗。雙管反激拓?fù)錈o緩沖器損耗和發(fā)熱問題，漏電感能量可回收在大容量電容器中。

　　雙管QR反激與單開關(guān)反激比較

　　單開關(guān)對比雙管QR反激轉(zhuǎn)換器如圖3所示，左邊為單開關(guān)QR反激，右邊為雙開關(guān)QR反激。

　　圖2 雙管反激基本工作原理

　　圖3 單開關(guān)對比雙管QR反激轉(zhuǎn)換器

　　單開關(guān)QR反激具體特性有：

　　?需要RCD緩沖器以

　　耗散漏電感能量

　　?需要高壓MOSFET

　?。?00~800V）

　　?需要較高壓SR MOSFET （》100V for

　　12V Vo）

　　?較低的匝數(shù)比

　　雙開關(guān)QR反激具體特性有：

　　?漏電感能量可回收到輸入

　　?若反射輸出電壓（VO×Np/Ns）大于

　　輸入電壓，能量不會傳送到輸出（不

　　允許ZVS）

　　?可使用500V MOSFET

　　?可使用《75V SR MOSFET（for 12V

　　Vo）

　　?較高的匝數(shù)比

　　雙管QR反激對比LLC諧振轉(zhuǎn)換器

　　雙管QR反激與LLC諧振轉(zhuǎn)換器如圖4所示，左邊為雙管QR反激，右邊為LLC諧振轉(zhuǎn)換器等特點(diǎn)。

　　圖4 雙管QR反激對比LLC諧振轉(zhuǎn)換器

　　雙管QR反激具體特性有：

　　?初級端電流隨負(fù)載減少而減少

　　?近似于ZVS運(yùn)作（谷底開關(guān)）

　　?變壓器設(shè)計(jì)簡單，與傳統(tǒng)反激式轉(zhuǎn)換

　　器一樣

　　?無直通問題

　　LLC諧振轉(zhuǎn)換器具體特性有：

　　?即使在輕負(fù)載條件下初級端也有大環(huán)

　　流電流（高待機(jī)功耗）

　　?完全的ZVS運(yùn)作

　　?復(fù)雜的變壓器設(shè)計(jì)

　　?固有的直通（shoot through）問題

　　雙管反激與LLC諧振轉(zhuǎn)換器在19V/90W輸出的演示版上的效率比較，可以看出LLC在高壓輸入即重載時的表現(xiàn)非常好，但是在低壓輸入即輕載時的表現(xiàn)相對較弱?？偟膩碚f，雙管反激的平均效率較好，因?yàn)樗妮p載效率比LLC諧振轉(zhuǎn)換器大幅提升在低電壓輸入時也有部輸于LLC諧振轉(zhuǎn)換器的效率表現(xiàn)。

　　表1 雙管反激與LLC諧振轉(zhuǎn)換器特性比較

　　19V/90W輸出的適配器，這個適配器高16.5mm，長95mm，寬60mm，在這么一個薄小的設(shè)計(jì)卻能達(dá)到較好的效率，如表2所示。130W/19V一體機(jī)PC電源效率如表3所示。130W/19V一體機(jī)PC電源效率如表3所示。200W/19V 一體機(jī)PC電源效率如表4所示。

　　表2 19V/90W輸出的適配器效率表現(xiàn)