解決準方波諧振電源的谷底跳頻問(wèn)題

準方波諧振轉換器也稱(chēng)作準諧振（QR）轉換器，使反激式開(kāi)關(guān)電源（SMPS）設計的信號電磁干擾（EMI）更低及滿(mǎn)載能效更高。然而，由于負載下降時(shí)開(kāi)關(guān)頻率升高，必須限制頻率漂移，避免額外的開(kāi)關(guān)損耗。傳統準諧振控制器采用頻率鉗位技術(shù)來(lái)限制頻率漂移。當系統開(kāi)關(guān)頻率到達頻率鉗位限制值時(shí)，就發(fā)生谷底跳頻：控制器在兩種可能的谷底頻率選擇中來(lái)回跳動(dòng)，導致變壓器工作不穩定及產(chǎn)生噪聲?？朔@個(gè)問(wèn)題的一種新技術(shù)是在負載降低時(shí)改變谷底頻率，從而逐步降低開(kāi)關(guān)頻率。一旦控制器選擇某個(gè)谷底，它就保持鎖定這個(gè)谷底頻率，直到輸出功率大幅變化：這就是安森美半導體新近引入的谷底鎖定技術(shù)。

　　本文除了簡(jiǎn)要介紹準諧振電源，還將進(jìn)一步闡釋谷底跳頻問(wèn)題，介紹解決這問(wèn)題的谷底鎖定技術(shù)，并分享實(shí)驗結果支持理論研究的的實(shí)際應用案例。

　　準方波信號簡(jiǎn)介

　　準方波諧振電源通常也稱(chēng)作準諧振電源，廣泛用于筆記本適配器或電視電源。這種架構的主要特征就是零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）工作，這種技術(shù)能降低開(kāi)關(guān)損耗，幫助弱化電磁干擾（EMI）信號。變壓器去磁完成后，在電壓位于MOSFET漏極節點(diǎn)處存在的電感電容（LC）網(wǎng)絡(luò )諧振導致的自由振蕩（即“谷底開(kāi)關(guān)”）的最低值時(shí)導通MOSFET，從而實(shí)現ZVS工作。這個(gè)網(wǎng)絡(luò )實(shí)際上由初級電感Lp和漏極節點(diǎn)處的寄生電容Clump組成。

圖1：MOSFET在谷底導通

　　準諧振電源的開(kāi)關(guān)頻率取決于負載條件，本質(zhì)上變化幅度很大。不利的是，負載降低時(shí)開(kāi)關(guān)頻率增加，導致輕載能效欠佳，因為開(kāi)關(guān)損耗的預算增加了。要改善輕載能效，必須找出方法來(lái)將開(kāi)關(guān)頻率鉗位降至更低。

　　傳統準諧振轉換器

　　傳統準諧振控制器包含內部定時(shí)器，防止自激（free-running）頻率超過(guò)上限。頻率限制值通常固定為125 kHz，從而使頻率保持在CISPR-22 EMI規范的150 kHz起始點(diǎn)頻率之下。下圖是帶有8 ?s定時(shí)器以鉗位開(kāi)關(guān)頻率的準諧振控制器的內部架構簡(jiǎn)圖。

圖2：傳統準諧振控制器電路圖。

　　為了導通MOSFET，不僅要以過(guò)零檢測（ZCD）比較器來(lái)檢測谷底，而且8 us定時(shí)器還必須已經(jīng)結束計時(shí)（圖2）。如果在8 ?s的時(shí)間窗口內出現谷底，就不允許MOSFET啟動(dòng)。因此，功率MOSFET的關(guān)閉時(shí)間只能通過(guò)一個(gè)自由振蕩周期內的不同階躍（step）來(lái)改變。

　　在低線(xiàn)路電壓和高輸出負載時(shí)，變壓器的去磁時(shí)間較長(cháng)，會(huì )超過(guò)8 ?s：控制器將在第一個(gè)谷底導通MOSFET。然而，隨著(zhù)功率需求降低，去磁時(shí)間縮短，而當去磁時(shí)間縮短至低于8 ?s時(shí)，頻率就被鉗位。在這種情況下，變壓器的磁芯將被指示在8 ?s定時(shí)器結束之前復位（表示次級端電流已經(jīng)到零及內部磁場(chǎng)已返回至零）。MOSFET不會(huì )立即重啟，8 ?s時(shí)間窗口會(huì )使MOSFET保持在阻斷狀態(tài)，而某些谷底會(huì )被忽略。如果輸出功率電平使得逐周期能量平衡所需關(guān)閉時(shí)間降到兩個(gè)鄰近谷底之間，電源將以大小不等的開(kāi)關(guān)周期工作：這就是所謂的谷底跳頻。較長(cháng)的開(kāi)關(guān)周期會(huì )被較短的開(kāi)關(guān)周期補償，反之亦然。在圖3中，2或3個(gè)周期的第一種谷底開(kāi)關(guān)之后，跟隨的是1個(gè)周期的第二種谷底開(kāi)關(guān)。谷底跳頻現象使開(kāi)關(guān)頻率產(chǎn)生很大變化，而這變化會(huì )被大峰值電流跳變補償。而電流跳變導致變壓器中產(chǎn)生可聽(tīng)噪聲。

圖3：谷底跳頻：控制器頻率在兩個(gè)鄰近谷底之間來(lái)回跳動(dòng)

　　單獨鉗位開(kāi)關(guān)頻率可以解決輕輸出負載條件下的不穩定問(wèn)題，但不會(huì )改善該特定工作點(diǎn)的能效。因此，傳統準諧振轉換器中，頻率鉗位要么涉及跳周期電路，要么涉及頻率反走電路。

　　頻率反走

　　頻率反走電路通常是壓控振蕩器（VCO），在頻率鉗位時(shí)降低開(kāi)關(guān)頻率（圖4）。通過(guò)降低工作頻率，開(kāi)關(guān)損耗也得以降低，輕載能效相應改善。然而，在頻率反走模式期間，MOSFET導通事件仍然與谷底檢測同步：控制器頻率在兩個(gè)鄰近谷底之間來(lái)回跳動(dòng)時(shí)發(fā)生谷底跳頻，同樣導致準諧振電源中出現可聽(tīng)噪聲。

圖4：帶頻率反走的準諧振模式

　　這種技術(shù)帶來(lái)的另一項約束就是滿(mǎn)載和輸入電壓較低時(shí)最低頻率的選擇。實(shí)際上，頻率鉗位要求選擇較低的最低頻率，而且這個(gè)值必須高于可聽(tīng)頻率范圍（通常約30 kHz）。由于這較低的最低頻率，初級電感值因而增加以提供必要的輸出功率，變壓器尺寸也相應地增大。

　　解決谷底跳頻問(wèn)題

　　一種避免谷底跳頻問(wèn)題的新方案，是在輸出負載變化時(shí)，從某個(gè)谷底位置變到下一個(gè)/前一個(gè)谷底位置 ，并將控制器頻率鎖定在所選位置。這叫做“谷底鎖定”技術(shù)。一旦控制器選定在某個(gè)谷底工作，它就保持鎖定在這個(gè)谷底，直到輸出功率大幅變化。實(shí)際上，可以通過(guò)監測反饋電壓VFB來(lái)觀(guān)測輸出功率變化。需要計數器來(lái)給谷底計數。谷底鎖定乃是通過(guò)使電源在特定輸出負載下能有兩個(gè)可能的工作點(diǎn)來(lái)實(shí)現。因此，當輸出負載值使逐周期能量平衡所需的關(guān)閉時(shí)間介于兩個(gè)鄰近的谷底之間時(shí)，峰值電流允許增高到足以在下一個(gè)谷底找到穩定的工作點(diǎn)。

圖5：就每個(gè)輸出負載而言，在2個(gè)鄰近的谷底中間都有相應的工作點(diǎn)

　　由于使用了這種技術(shù)，谷底跳頻不穩定問(wèn)題就不再存在，而且變壓器中也聽(tīng)不到可聽(tīng)噪聲。

　　這種技術(shù)的另一特征是其提供自然的開(kāi)關(guān)頻率限制。實(shí)際上，每次控制器谷底遞增時(shí)，頻率就以不同階躍來(lái)降低，如圖6所示。開(kāi)關(guān)頻率的降低取決于自由振蕩周期：

（1.1）

　　其中： -Lp是初級電感

　　-Clump包括功率MOSFET漏極處存在的所有寄生電容（輸出電容COSS，變壓器電容等）

　　圖6描繪了使用帶谷底鎖定功能的控制器（如安森美半導體的NCP1380）的適配器開(kāi)關(guān)頻率的變化過(guò)程。輸入電壓為均方根115 V時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率漂移限制在65 kHz到95 kHz之間，且不須使用任何頻率鉗位。