第20章 准谐振电源原理.ppt

准谐振电源原理 准谐振转换是十分成熟的技术，广泛用于消费产品的电源设计中。新型的绿色FPS (Green FPS) 系列把这一技术的应用范围拓展到了低功耗领域。 准谐振转换的原理是降低拓扑中电源开关的导通损耗。谐振转换器可把导通损耗降至最低，但工作方式迥异。 反激式漏极电压及电流波形 上图说明 电流模式反激式转换器在非连续导通模式下工作时的漏极波形。这里使用的是单栅极脉冲。在第一个时间间隔期间，漏极电流上升至到需要的电流值。然后电源开关关断。反激式变压器中的泄漏电感与节点电容相互振荡，产生受钳位电路限制的泄漏电感尖峰。电感尖峰减小后，漏极电压值回落到输入电压加反射输出电压之和。当输出二极管中的电流下降到零时，若忽略初级电感和节点电容的影响，漏极电压将立即跌至总线电压。但实际上漏极电压会降回图中所示的电平级。 设计说明 初级电感和节点电容构成一个谐振电路。当电感为1.4mH、节点电容为73pF 时，由方程式4π2f2LC = 1 可计算出谐振频率为500kHz。谐振电路为弱阻尼。我们发现，利用这种近似法，谐振频率与输入电压及负载电流没有直接关联。 MOS管的问题 对于非连续导通模式反激式转换器，MOSFET 在固定频率下导通 (忽略任何频率抖动产生的影响)。器件导通，并在达到设置的电流值时关断，然后在前一个器件导通后一段固定时间时再导通。器件的导通时间与漏极谐振不同步。在一些情况下，当漏极电压低于总线电压加反射输出电压之和时，器件可能导通；在另外一些情况下，器件在漏极电压更高时才导通。这种特性常常可在不连续反激式转换器的效率曲线上看到：在驱动恒定负载时，由于器件导通时间上升或降至谐振曲线的波谷，效率将随输入电压变化。 谐振的频率问题 对于准谐振开关，器件没有固定开关频率，而是让控制器在漏极电压到达波谷之时导通。以往针对彩电市场设计的准谐振器件一般在第一个波谷时导通。对负载总是很高的彩电而言，这是一个很好的解决方案。但对于动态范围很宽的负载来说，这会产生问题。 谐振的频率问题 器件关断和第一个波谷之间的时间由谐振频率决定。器件导通和关断之间的时间由控制器设定。对较轻的负载，由于电感需要的能量较小，故这个时间较小，导致导通时间较短，以及输出二极管的导电时间也变短。因此，对较轻的负载而言，频率变高，致使开关损耗增大。 准谐振开关的优点 与反激式转换器的不连续工作模式及连续工作模式相比，准谐振开关提供的导通损耗更低，因此能够提高效率和降低器件温度。通过在先进控制器或集成电源开关中采用频率钳位电路，可以克服简单准谐振电路在轻负载下损耗较高的问题。 若导通过程中电流电压较低，产生的EMI 也较小，这正是准谐振应用的情况。在1MHz 到50MHz 的频率范围内可减小EMI。 准谐振开关的优点 此外，在准谐振过程中存在固有频率抖动，将会减小EMI 噪声，进一步降低滤波器成本。这个成因在于大电容上的输入电压纹波。对恒定负载而言，最大纹波电压下的导通时间和输出二极管导电时间比最小纹波电压下的要小，导致开关频率随相等于纹波频率的扫描频率而线性变化 (例如，对50Hz AC 工作频率的全桥整流电路为100Hz)。这降低了150kHz到1MHz 开关频率上的EMI。这是准谐振转换器用于阴极射线管彩电应用的主要原因：开关频率持续变化，把电视图像上的干扰效应减至最小。 采用FSQ0365RN 的 20W反激式 上图说明 所示是我们在德国的全球功率资源中心 (Global Power Resource? Center) 设计的应用实例。R103、R104、R105、D104 和 C103 构成了漏极上最小电压级检测所需的附加元件。 FOD2741 是误差放大器，在封装中整合了标准光电耦合器的功能和工业标准431 参考基准。其余元件均为反激式转换器的标准配备。 上图说明 对于该款设计，在175VAC 到 265VAC 的电压范围内测得的无负载待机功耗小于130mW。在较低的输入电压下，待机功耗甚至可低于同类设计。在整个电压范围上，其满负载效率大于86%，对这个功率级下的多输出反激式电源而言已是非常高的了。它的线路调节相当出色 ― 改变输入电压时，测得的电压并没有出现变化。对于已经调节的输出，负载调节率保持在5% 范围之内。 上图说明 低功率准谐振器件的推出开拓了众多新的可能性。全球功率资源中心已利用FSQ311 器件开发出可提供20V/100mA 输出的准谐振降压电路。待机功耗测量在10mA 的负载情况下进行。在85VAC 到265VAC 的全范围上，总体功耗小于400mW (包括200mW的基本负载)，对于高达180VAC 的范围，则小于350mW。低输入电压下性能更好，因为这时漏极电压波形的波谷远较输入电压更高时接近零。此外，这也表明