準(zhǔn)諧振和諧振轉(zhuǎn)換-兩種提高電源效率的技術(shù)

全球?qū)δ茉闯杀旧蠞q、環(huán)保和能源可持續(xù)性的關(guān)注正在推動(dòng)歐盟、美國(guó)加州等地的相關(guān)機(jī)構(gòu)相繼推出降低電子設(shè)備能耗的規(guī)范。交流輸入電源，不論是獨(dú)立式的還是集成在電子設(shè)備中的，都會(huì)造成一定的能源浪費(fèi)。首先，電源的效率不可能是100% 的，部分能量在電源大負(fù)載工作時(shí)被浪費(fèi)掉。其次，當(dāng)負(fù)載未被使用時(shí)，連接交流線的電源會(huì)以待機(jī)功耗的形式消耗能量。

近年來(lái)，對(duì)電源效率等級(jí)的要求日趨嚴(yán)格。最近，80% 以上的效率已成為了基本標(biāo)準(zhǔn)。新倡議的能效標(biāo)準(zhǔn)更是要求效率達(dá)到87%及以上。此外，只在滿負(fù)載下測(cè)量效率的老辦法已被淘汰。目前的新標(biāo)準(zhǔn)涉及了額定負(fù)載的25%、50%、75% 和 100% 這四個(gè)點(diǎn)的四點(diǎn)平均水平。同樣地，最大允許待機(jī)功耗也越來(lái)越受到限制，歐盟提議所有設(shè)備的待機(jī)功耗均應(yīng)低于500mW，對(duì)于我們將討論的電視機(jī)，則小于200mW。

除專家級(jí)的高效率電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域之外，電子設(shè)備中所用的功率范圍從1W 到 500W的交流輸入電源 ，一直以來(lái)主要采用兩種拓?fù)洌簶?biāo)準(zhǔn) (或硬開(kāi)關(guān)) 反激式 (flyback) 拓?fù)?，和雙開(kāi)關(guān)正激拓?fù)洹＿@兩種拓?fù)涠己芤子诶斫?，而它們存在的?wèn)題，以及如何予以避免，業(yè)界都已有充分的認(rèn)識(shí)。

不過(guò)，隨著對(duì)效率的要求不斷提高，這兩種拓?fù)鋵⒅饾u為三種新的拓?fù)渌〈?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/準(zhǔn)諧振">準(zhǔn)諧振反激式拓?fù)?、LLC諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)浜筒粚?duì)稱半橋拓?fù)洹?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/準(zhǔn)諧振">準(zhǔn)諧振反激式拓?fù)湟驯怀晒τ糜谧?/FONT>低功率級(jí)到200W以上的范圍。在70W-100W范圍，LLC諧振轉(zhuǎn)換器比準(zhǔn)諧振反激式拓?fù)涓行?。而在這兩個(gè)功率級(jí)之上，不對(duì)稱半橋轉(zhuǎn)換器也很有效。

工作原理

準(zhǔn)諧振和諧振拓?fù)涠寄軌蚪档?/FONT>電路中的導(dǎo)通開(kāi)關(guān)損耗。圖1對(duì)比了連續(xù)傳導(dǎo)模式 (CCM) 反激式、準(zhǔn)諧振反激式和 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)通開(kāi)關(guān)波形。

所有情況下的開(kāi)關(guān)損耗都由下式表示：

這里，PTurnOnLoss 為開(kāi)關(guān)損耗；ID 為 漏極電流；VDS 是開(kāi)關(guān)上的電壓；COSSeff 是等效輸出電容值(包括雜散電容效應(yīng))；tON 是導(dǎo)通時(shí)間，而fSW 是開(kāi)關(guān)頻率。

a) CCM反激式轉(zhuǎn)換器 b) 準(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器 c)LLC諧振轉(zhuǎn)換器

圖1 CCM反激式、準(zhǔn)諧振反激式和LLC諧振轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)波形比較

CCM反激式轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)損耗最高。對(duì)于輸入電壓范圍很寬的設(shè)計(jì)，VDS 在500V – 600V左右，是輸入電壓VDC 與反射輸出電壓 VRO 之和。進(jìn)入不連續(xù)傳導(dǎo)模式 (DCM) 時(shí)，漏電流降為零，開(kāi)關(guān)損耗的第一項(xiàng)也隨之降為零。在準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器中，若在電壓波形的第一個(gè) (或后一個(gè)) 波谷時(shí)導(dǎo)通，可進(jìn)一步降低損耗。圖中虛線所示為準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器在第一個(gè)谷底導(dǎo)通時(shí)的漏極波形。

如果準(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器的匝數(shù)比為 20，輸出電壓為5V，則 VRO 等于 100V，因此對(duì)于 375V 的總線電壓，開(kāi)關(guān)將在 275V 時(shí)導(dǎo)通。若有效輸出電容 COSSeff 為73 pF，開(kāi)關(guān)頻率 fSW 為 66 kHz，則損耗為0.18W：

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)CCM反激式轉(zhuǎn)換器，開(kāi)關(guān)與漏極電壓振鈴不同步。在最壞的情況下，漏極電壓大于VDC

那么損耗將為0.54W。故對(duì)于非連續(xù)模式反激式轉(zhuǎn)換器，功耗在0.18W 和 0.54W之間波動(dòng)，具體取決于時(shí)序。影響時(shí)序的因素有輸入電壓和輸出電流，兩者的優(yōu)化組合可提高效率，反之會(huì)降低效率。對(duì)非連續(xù)模式反激式轉(zhuǎn)換器，這常表現(xiàn)為滿負(fù)載效率曲線的異常變化。這時(shí)，輸入電壓改變而輸出電流 (及電壓) 恒定。效率曲線隨開(kāi)關(guān)點(diǎn)前移而顯示出波動(dòng)。初級(jí)端電感的批次差異也會(huì)顯示出變化，從而改變效率。

諧振轉(zhuǎn)換器采用了一種不同的技術(shù)來(lái)降低開(kāi)關(guān)損耗。讓我們回頭再看看導(dǎo)通損耗公式，由式中可見(jiàn)，如果VDS設(shè)為零，就根本沒(méi)有損耗，這個(gè)原理被稱為零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS)，用于諧振轉(zhuǎn)換器，尤其是LLC諧振轉(zhuǎn)換器，如圖1所示。

通過(guò)讓電流反向流經(jīng)開(kāi)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)。當(dāng)開(kāi)關(guān)電流反向時(shí)，體 (body) (或外部反向并聯(lián)) 二極管把電壓鉗位在一個(gè)低值，例如1V，這遠(yuǎn)低于前面提到的反激式轉(zhuǎn)換器的400V。

諧振轉(zhuǎn)換器利用一個(gè)諧振電路來(lái)產(chǎn)生延時(shí)。兩個(gè)MOSFET產(chǎn)生方波，并加載在諧振電路上。通過(guò)選擇合適的諧振電路，并把工作點(diǎn)設(shè)置在諧振點(diǎn)之上，流入諧振電路的電流可以非常接近正弦波，因?yàn)楦唠A分量一般都大為衰減。正弦電流波形滯后于電壓波形，因而當(dāng)電壓波形達(dá)到其過(guò)零點(diǎn)時(shí)，電流仍為負(fù)，從而實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)。

結(jié)構(gòu)

圖2所示分別為準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器的電路示意圖及LLC諧振轉(zhuǎn)換器的模塊示意圖。準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器的電路示意圖看起來(lái)非常類似于反激式轉(zhuǎn)換器，只是它帶有一個(gè)幫助確定電壓谷底時(shí)序的檢測(cè)電路。

圖2：準(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器的電路圖及LLC諧振轉(zhuǎn)換器的模塊示意圖

LLC諧振轉(zhuǎn)換器的模塊示意圖與雙開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器截然不同。其之所以名曰“LLC”，是因?yàn)橹C振電路的工作由3個(gè)組件來(lái)完成：變壓器的磁化電感 (Lm)、變壓器的漏電感 (Llk) 和諧振電容 (Cr)。對(duì)大漏電感的需求意味著必須一個(gè)額外的電感，或者是變壓器的線圈需以增加漏電感的方式進(jìn)行纏繞，以使其增大。LLC諧振轉(zhuǎn)換器在初級(jí)端有一個(gè)半橋結(jié)構(gòu)，但與雙開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器不同的是，它不需要任何二極管。此外，還帶有一個(gè)雙開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器所沒(méi)有的諧振電容，以及兩個(gè)輸出二極管與中心抽頭變壓器的輸出相連。這些配置把諧振電路的交流輸出整流為直流級(jí)，雙開(kāi)關(guān)正激應(yīng)用所需的大輸出電感在這里就不再需要了。

對(duì)于給定的功率級(jí)，準(zhǔn)諧振反激式變壓器的尺寸是最大的，因?yàn)樗劝阉心芰看鎯?chǔ)在初級(jí)側(cè)，然后再將之轉(zhuǎn)移到次級(jí)側(cè)。雙開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器則不然，它是在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)把能量從初級(jí)側(cè)轉(zhuǎn)移到次級(jí)側(cè)。和反激式轉(zhuǎn)換器一樣，雙開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器也只使用一個(gè)磁極方向。LLC轉(zhuǎn)換器卻使用兩個(gè)方向，所以在其它條件相同的情況下，對(duì)于給定的功率級(jí)，它的尺寸更小，無(wú)需考慮額外的漏電感或者是在變壓器中包含的漏電感。

頻率和增益

準(zhǔn)諧振和LLC諧振開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢(shì)都包括了降低導(dǎo)通損耗，但缺點(diǎn)是頻率隨負(fù)載減小而增大。兩種轉(zhuǎn)換器的關(guān)斷損耗都隨頻率的增大而變得嚴(yán)重。

這里，tOFF是關(guān)斷時(shí)間，在輕載時(shí)上述效應(yīng)會(huì)降低效率。飛兆半導(dǎo)體的準(zhǔn)諧振FPS? 功率開(kāi)關(guān)產(chǎn)品系列，比如FSQ0165RN，采用了一種特殊技術(shù)“頻率鉗位” (frequency clamp) 來(lái)彌補(bǔ)準(zhǔn)諧振控制器固有的這種缺陷?？刂破髦恍璧却疃虝r(shí)間，對(duì)應(yīng)最大頻率，然后開(kāi)關(guān)在下一個(gè)波谷時(shí)導(dǎo)通，這種方法可以提高輕載下的效率。FPS? FSFR2100 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器和包括FSQ0165RN在內(nèi)的產(chǎn)品系列都具有突發(fā)模式功能，可降低極輕負(fù)載下的功耗。對(duì)于FSFR2100，如果系統(tǒng)需要，建議加入一個(gè)采用了FSQ510這類器件的輔助電源，以保持低待機(jī)功耗。

LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)局限性是它的增益動(dòng)態(tài)范圍非常有限。圖3所示為一個(gè)LLC 轉(zhuǎn)換器的增益特性與頻率及負(fù)載的關(guān)系。這種拓?fù)渲詮V受歡迎是由于其頻率隨負(fù)載變化的改變較小，在100kHz的諧振頻率上限，頻率不隨負(fù)載變化而改變。不過(guò)，它的增益動(dòng)態(tài)范圍很小，在1.0到1.4之間，如果1.2的增益代表一個(gè)220VAC輸入電壓的系統(tǒng)獲得所需輸出電壓的增益，則動(dòng)態(tài)范圍允許189VAC 到 264VAC的輸入電壓范圍。因此，這種拓?fù)洳惶赡苓m用于常見(jiàn)的輸入電壓范圍，但只要通過(guò)精心設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)保持時(shí)間 (hold-up time) 的條件，就可以用于歐洲的輸入范圍。LLC諧振轉(zhuǎn)換器通常與功率因數(shù)校正級(jí)一起使用，后者可為L(zhǎng)LC轉(zhuǎn)換器提供調(diào)節(jié)良好的輸入電壓。

通過(guò)增大漏電感與磁化電感的比值，可以增加增益動(dòng)態(tài)范圍，但代價(jià)是輕載效率因磁化電流變大而降低。實(shí)際上，這是通過(guò)采用第二個(gè)電感來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)槿绻╇姼刑蟮脑?，要獲得可重復(fù)的漏/磁化電感比值是有實(shí)際限制的。

圖3：LLC諧振轉(zhuǎn)換器增益曲線示例

應(yīng)用

準(zhǔn)諧振反激式和 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器在嵌入式交流輸入電源中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器的實(shí)際工作范圍上從超低功率級(jí)到100W左右。對(duì)于集成式解決方案，7W/12V 電源的滿負(fù)載效率約為81%；而對(duì)采用了帶外部MOSFET的準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器的70W/22V電源，滿負(fù)載效率則超過(guò)了88%。前者的待機(jī)功耗遠(yuǎn)低于150mW，后者的則小于350mW。采用較低的輸出電壓，效率必然會(huì)迅速降到上述水平之下。一個(gè)5W/5V的電源將在輸出二極管上消耗至少10% 的額定輸出功率。

準(zhǔn)諧振拓?fù)溥€有一個(gè)好處是EMI遠(yuǎn)小于硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用的，其頻率將隨400V輸入電容上的紋波而變化，導(dǎo)致自然的頻譜擴(kuò)展。此外，由于開(kāi)關(guān)行為在較低電壓時(shí)發(fā)生，開(kāi)關(guān)噪聲減小，故共模EMI噪聲也相應(yīng)減小。

LLC諧振轉(zhuǎn)換器的實(shí)際工作范圍從70W左右到500W以上，帶有一個(gè)PFC前端的FSFR2100已用于實(shí)現(xiàn)200W 到420W的電源。對(duì)于高達(dá)200W的應(yīng)用，一般無(wú)需使用FSFR2100上的散熱器，但通常建議在輸出端使用一些肖特基二極管，而這些往往需要散熱器。此外，也可以采用同步整流方法，這時(shí)因?yàn)椴捎昧薓OSFET (雖然MOSFET的控制信號(hào)不易產(chǎn)生)，因此無(wú)需散熱器。對(duì)于采用了肖特基二極管的應(yīng)用，典型的峰值效率依照輸入電壓、輸出電壓和輸出功率情況，大約在90%到95%之間。