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，不論是獨立式的還是集成在電子設(shè)備中的，都會造成一定的能源浪費。首先，電源的效率不可能是100% 的，部分能量在電源大負(fù)載工作時被浪費掉。其次，當(dāng)負(fù)載未被使用時，連接交流線的電源會以待機(jī)功耗的形式消耗能量。

近年來，對電源效率等級的要求日趨嚴(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% 這四個點的四點平均水平。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，對于我們將討論的電視機(jī)，則小于200mW。

除專家級的高效率電源設(shè)計領(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)洌碗p開關(guān)正激拓?fù)?。這兩種拓?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。

不過，隨著對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://butianyuan.cn/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ΨQ半橋拓?fù)洹?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/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@兩個功率級之上，不對稱半橋轉(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)通開關(guān)損耗。圖1對比了連續(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)通時間，而fSW 是開關(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)換器的開關(guān)波形比較

CCM反激式轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗最高。對于輸入電壓范圍很寬的設(shè)計，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，漏電流降為零，開關(guān)損耗的第一項也隨之降為零。在準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器中，若在電壓波形的第一個 (或后一個) 波谷時導(dǎo)通，可進(jìn)一步降低損耗。圖中虛線所示為準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器在第一個谷底導(dǎo)通時的漏極波形。

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，因此對于 375V 的總線電壓，開關(guān)將在 275V 時導(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，具體取決于時序。影響時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，反之會降低效率。對非連續(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，輸入電壓改變而輸出電流 (及電壓) 恒定。效率曲線隨開關(guān)點前移而顯示出波動。初級端電感的批次差異也會顯示出變化，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)，可實現(xiàn)零電壓開關(guān)。當(dāng)開關(guān)電流反向時，體 (body) (或外部反向并聯(lián)) 二極管把電壓鉗位在一個低值，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)換器利用一個諧振電路來產(chǎn)生延時。兩個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，并把工作點設(shè)置在諧振點之上，流入諧振電路的電流可以非常接近正弦波，因為高階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)到其過零點時，電流仍為負(fù)，從而實現(xiàn)零電壓開關(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非常類似于反激式轉(zhuǎn)換器，只是它帶有一個幫助確定電壓谷底時序的檢測電路。

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關(guān)正激轉(zhuǎn)換器截然不同。其之所以名曰“LLC”，是因為諧振電路的工作由3個組件來完成：變壓器的磁化電感 (Lm)、變壓器的漏電感 (Llk) 和諧振電容 (Cr)。對大漏電感的需求意味著必須一個額外的電感，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)換器在初級端有一個半橋結(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，還帶有一個雙開關(guān)正激轉(zhuǎn)換器所沒有的諧振電容，以及兩個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，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。

對于給定的功率級，準(zhǔn)諧振反激式變壓器的尺寸是最大的，因為它先把所有能量存儲在初級側(cè)，然后再將之轉(zhuǎn)移到次級側(cè)。雙開關(guān)正激轉(zhuǎn)換器則不然，它是在開關(guān)導(dǎo)通時把能量從初級側(cè)轉(zhuǎn)移到次級側(cè)。和反激式轉(zhuǎn)換器一樣，雙開關(guān)正激轉(zhuǎn)換器也只使用一個磁極方向。LLC轉(zhuǎn)換器卻使用兩個方向，所以在其它條件相同的情況下，對于給定的功率級，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。

頻率和增益

準(zhǔn)諧振和LLC諧振開關(guān)的優(yōu)勢都包括了降低導(dǎo)通損耗，但缺點是頻率隨負(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)斷時間，在輕載時上述效應(yīng)會降低效率。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間，對應(yīng)最大頻率，然后開關(guān)在下一個波谷時導(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。對于FSFR2100，如果系統(tǒng)需要，建議加入一個采用了FSQ510這類器件的輔助電源，以保持低待機(jī)功耗。

LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的另一個局限性是它的增益動態(tài)范圍非常有限。圖3所示為一個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220VAC輸入電壓的系統(tǒng)獲得所需輸出電壓的增益，則動態(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)計來實現(xiàn)保持時間 (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，可以增加增益動態(tài)范圍，但代價是輕載效率因磁化電流變大而降低。實際上，這是通過采用第二個電感來實現(xiàn)的，因為如果漏電感太大的話，要獲得可重復(fù)的漏/磁化電感比值是有實際限制的。

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)用越來越廣泛。

準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器的實際工作范圍上從超低功率級到100W左右。對于集成式解決方案，7W/12V 電源的滿負(fù)載效率約為81%；而對采用了帶外部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，效率必然會迅速降到上述水平之下。一個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)換器的實際工作范圍從70W左右到500W以上，帶有一個PFC前端的FSFR2100已用于實現(xiàn)200W 到420W的電源。對于高達(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，這時因為采用了MOSFET (雖然MOSFET的控制信號不易產(chǎn)生)，因此無需散熱器。對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。