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，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 ，一直以來主要采用兩種拓?fù)洌簶?biāo)準(zhǔn) (或硬開關(guān)) 反激式 (flyback) 拓?fù)?，和雙開關(guān)正激拓?fù)洹＿@ 兩種拓?fù)涠己芤子诶斫?，而它們存在的問題，以及如何予以避免，業(yè)界都已有充分的認(rèn)識(shí)。

不過，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〈簻?zhǔn)諧振反激式拓 撲、LLC 諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)浜筒粚?duì)稱半橋拓?fù)?。?zhǔn)諧振反激式拓?fù)湟驯怀晒τ糜谧畹凸β始?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А６谶@兩個(gè)功率 級(jí)之上，不對(duì)稱半橋轉(zhuǎn)換器也很有效。

2、工作原理

準(zhǔn)諧振和諧振拓?fù)涠寄軌蚪档碗娐分械膶?dǎo)通開關(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)通開關(guān)波形。

所有情況下的開關(guān)損耗都由下式表示：

這里，PTurnOnLoss 為開關(guān)損耗；ID 為 漏極電流；VDS 是開關(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 是開關(guān)頻率。

CCM 反激式轉(zhuǎn)換器的開關(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，開關(guān)將在 275V 時(shí)導(dǎo)通。若有效輸出電容 COSSeff 為 73 pF，開關(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)來降低開關(guān)損耗。讓我們回頭再看看導(dǎo)通損耗公式，由式中可 見，如果 VDS 設(shè)為零，就根本沒有損耗，這個(gè)原理被稱為零電壓開關(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。

通過讓電流反向流經(jīng)開關(guān)，可實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。當(dāng)開關(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 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)到其過零點(diǎn)時(shí)， 電流仍為負(fù)，從而實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。

3、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。

LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的模塊示意圖與雙開關(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)雙開關(guān)正激轉(zhuǎn)換器所沒有的諧振電容，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)。雙開關(guān)正激轉(zhuǎn)換器則不然，它是在開關(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，無需考慮額外的漏電感或 者是在變壓器中包含的漏電感。

4、頻率和增益

準(zhǔn)諧振和 LLC 諧振開關(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，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用于常見的輸入電壓范圍，但 只要通過精心設(shè)計(jì)來實(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 LLC 轉(zhuǎn)換器提供調(diào)節(jié)良好的輸入電壓。

通過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，這是通過采用第二個(gè)電感來實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)槿绻╇姼刑蟮脑挘@得可重復(fù)的漏 /磁化電感比值是有實(shí)際限制的。

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，由于開關(guān)行為在較低電壓時(shí)發(fā)生，開關(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?MOSFET (雖然 MOSFET 的控制信號(hào)不易產(chǎn)生)，因此無需散熱器。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