實(shí)現(xiàn)高效率和低待機(jī)功耗的雙管反激式轉(zhuǎn)換器

高效率和低待機(jī)功耗是現(xiàn)今開(kāi)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(jí)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(gè)頭疼問(wèn)題。對(duì)于沒(méi)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(duì)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剩€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(dòng)器、一體型電腦電源和大功率充電器應(yīng)用。

設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源的挑戰(zhàn)

現(xiàn)代設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源的挑戰(zhàn)大致分為五個(gè)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(duì)于未來(lái)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(wèn)題、低功率密度、過(guò)高的MOSFET漏源電壓和緩沖器損耗和發(fā)熱問(wèn)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(wú)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(guò)程中，對(duì)于變壓器容差和柵極驅(qū)動(dòng)時(shí)限敏感的問(wèn)題。

雙管反激解決方案 (75~200W)

雙管反激解決方案分為三個(gè)部分，分別是FAN6920: BCM PFC + QR 組合；FAN7382: H/L 驅(qū)動(dòng)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(gè)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(shì)。

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(wú)負(fù)載時(shí)）。

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(wú)需有損耗的緩沖器；500V MOSFET可以用在初級(jí)端；初級(jí)端采用谷底開(kāi)關(guān)以降低開(kāi)關(guān)損耗；減小次級(jí)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(gè)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(jiǎn)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(wú)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(guò)沖電壓被箝制在輸入電壓上；谷底開(kāi)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(gè)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(shí)導(dǎo)通，變壓器的電感電流將會(huì)線性增加并將能量?jī)?chǔ)存于變壓器中；當(dāng)2個(gè)MOS管關(guān)閉時(shí)候就進(jìn)入階段2；階段2：因?yàn)槁└兴纬傻母呗┰措妷簳?huì)導(dǎo)致2個(gè)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(wú)緩沖器損耗和發(fā)熱問(wèn)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_(kāi)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(kāi)關(guān)的低開(kāi)關(guān)損耗。

雙管反激拓?fù)涞暮锰幹菧p小次級(jí)端傳導(dǎo)損耗。SR MOSFET的VDS為:VIN/n+VOUT，大匝數(shù)比n對(duì)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(jià)格，降低了成本得到了較高的效率。舉例說(shuō)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(jí)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(kāi)關(guān)(最多第12個(gè)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(wú)緩沖器損耗和發(fā)熱問(wèn)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(kāi)關(guān)反激比較

單開(kāi)關(guān)對(duì)比雙管QR反激轉(zhuǎn)換器如圖3所示，左邊為單開(kāi)關(guān)QR反激，右邊為雙開(kāi)關(guān)QR反激。

圖2 雙管反激基本工作原理

圖3 單開(kāi)關(guān)對(duì)比雙管QR反激轉(zhuǎn)換器

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單開(kāi)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

(700~800V)

•需要較高壓SR MOSFET (>100V for

12V Vo)

•較低的匝數(shù)比

雙開(kāi)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(huì)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(duì)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L(zhǎng)LC諧振轉(zhuǎn)換器等特點(diǎn)。

圖4 雙管QR反激對(duì)比LLC諧振轉(zhuǎn)換器

雙管QR反激具體特性有：

•初級(jí)端電流隨負(fù)載減少而減少

•近似于ZVS運(yùn)作(谷底開(kāi)關(guān))

•變壓器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，與傳統(tǒng)反激式轉(zhuǎn)換

器一樣

•無(wú)直通問(wèn)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(jí)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(wèn)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(shí)的表現(xiàn)非常好，但是在低壓輸入即輕載時(shí)的表現(xiàn)相對(duì)較弱?？偟膩?lái)說(shuō)，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(shí)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(gè)適配器高16.5mm，長(zhǎng)95mm，寬60mm，在這么一個(gè)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)

表3 130W/19V一體機(jī)PC電源效率

表4 200W/19V一體機(jī)PC電源效率

目標(biāo)應(yīng)用

雙管反激適用于75W ~200W功率范圍。

•一體型(AIO)PC電源

• LED TV

•筆記本電腦適配器

•游戲機(jī)

• LED照明

•要求高效率和低待機(jī)功耗的單輸出應(yīng)用

總而言之，雙管反激可說(shuō)是吸取了單管反激低待機(jī)功耗的優(yōu)點(diǎn)和LLC諧振轉(zhuǎn)換器高效能的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了高效率低待機(jī)和低功耗。