詳解最大化從滿(mǎn)負載到空負載時(shí)的AC/DC效率

對于具有前端 PFC 預調節器的應用而言，在非常輕的負載時(shí)，關(guān)閉PFC運行可節約更多的能源。

電路

準諧振控制是對運行在臨界導電模式(CrCM)下采用零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)或谷值開(kāi)關(guān)(VVS)技術(shù)的反向轉換器的描述。ZVS/VVS運行是由反向變壓器一次側繞組電感和一次側主MOSFET開(kāi)關(guān)(CDS)的總等效電容形成的LC諧振引起的。在諧振開(kāi)關(guān)切換過(guò)程中，MOSFET 兩端的電壓會(huì )下降。反向轉換器檢測到該下降并在谷值點(diǎn)開(kāi)啟一次側開(kāi)關(guān)。谷值電壓開(kāi)關(guān)必須滿(mǎn)足兩個(gè)條件，第一個(gè)條件是：Vin≤ N (Vout + VD )

其中，N為變壓器匝比。在這種條件下，二次側反射電壓 (reflected secondary voltage) 非常高，足以促使一次側VDS電壓變?yōu)?。因此，0V電壓就可以將一次側MOSFET開(kāi)關(guān)開(kāi)啟;第二個(gè)條件是：Vin > N(Vout + VD )，在此條件下，二次側反射電壓不能將VDS電壓轉為 0V。相反，我們得到了一個(gè)“電壓谷值”。圖 2 顯示了準諧振反向轉換器的典型VVS運行。如果滿(mǎn)足了第一個(gè)公式的條件，那么谷值電壓就會(huì )被擴展到0V。于是，我們就實(shí)現了0電壓開(kāi)關(guān)。

圖 2、準諧振控制與谷值電壓開(kāi)關(guān)

ZVS/VVS不僅大大節約了能源，而且還提高了效率。對于一個(gè)給定的電容而言，開(kāi)關(guān)電源Psw由電容器兩端的電壓CDS以及開(kāi)關(guān)頻率fs決定：Psw = 0.5 CDS VDS2 fs，采用硬轉換的反向轉換器將在高電壓時(shí)開(kāi)啟開(kāi)關(guān)，從而獲得高壓開(kāi)關(guān)電源。在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，儲存在電容器CDS中的能量將由MOSFET通道電阻消耗掉，從而表現為開(kāi)關(guān)功率損耗。這樣的功率損耗在離線(xiàn)AC/DC應用中尤其顯著(zhù)，在該應用中高DC鏈路電壓是由整流85-285 VAC線(xiàn)電壓引起的。

相反，如果運行在采用谷值開(kāi)關(guān)的準諧振模式下，相同的反向轉換器將在較低電壓時(shí)開(kāi)啟開(kāi)關(guān)。當儲存在電容器中的能量被釋放并再循環(huán)至 (recycle back) DC鏈路電容器CBLK，而并非由MOSFET通道電阻消耗掉時(shí)，則電壓將通過(guò)LC諧振被降低。

在通常的反向運行中，從小負載到滿(mǎn)負載范圍的準諧振控制意味著(zhù)多模運行模式，以實(shí)現最佳的效率。即我們將轉換器運行細分為兩種模式：具有可變開(kāi)啟時(shí)間變化的正常準諧振模式以及前面所提到的具有恒定開(kāi)啟時(shí)間的頻率返送 (FFM) 模式。例如，一款準諧振控制可能設計用于15%到50%的負載范圍內運行，期間其一直處于FFM模式運行。隨著(zhù)負載的降低，頻率逐漸下降，從而開(kāi)關(guān)電源損耗進(jìn)行一步降低。從50%負載到滿(mǎn)負載，控制器會(huì )隨著(zhù)負載的增加而消減其頻率。通常，開(kāi)關(guān)頻率被控制在150 kHz以下，以最小化EMI并滿(mǎn)足 EMI 要求。

脈沖跳躍

脈沖跳躍(也稱(chēng)為綠色模式或突發(fā)模式)在超輕負載時(shí)提供了最佳的節能效果。在該負載級別，保持輸出電壓穩定是較容易的。因此，只有當電壓趨于不穩定時(shí)才發(fā)生開(kāi)關(guān)轉換，額外的開(kāi)關(guān)動(dòng)作只會(huì )造成能源浪費。例如，在耗能的緩沖電路中，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期上都浪費了大量的能量。如果我們使用脈沖跳躍的話(huà)，就可以避免這種能源浪費。

只有在輸出電壓下降至一定閾值以下時(shí)，脈沖跳躍才開(kāi)始進(jìn)行開(kāi)關(guān)轉換。在此期間，一次側的控制器將一個(gè)脈沖群 (pulse packet) 接入到了變壓器，從而將輸出電壓提高至磁滯窗口的上限以保持輸出電壓穩定，然后開(kāi)關(guān)電路將被開(kāi)啟。當輸出電壓再一次接近磁滯窗口的下限時(shí)，該校正電路就會(huì )恢復到工作狀態(tài)。

在輕負載時(shí)關(guān)閉PFC以節約能源

功率因數校正(PFC)在輕負載時(shí)不能帶來(lái)實(shí)際的好處。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，所有電路都有一定的功耗。一款結構合理的反向準諧振控制器可能會(huì )含有一個(gè)專(zhuān)用引腳，以方便地實(shí)施該功能并在預定的負載條件下自動(dòng)關(guān)閉PFC電路。通過(guò)添加一個(gè)較小的外部電路(包括一個(gè)二極管和一個(gè)電阻器，例如圖1所示的 Ds 和 Rs)，設計人員可以使用狀態(tài)引腳作為一個(gè)指示器，以降低一次側峰值電流。這種設計技術(shù)有助于降低輕負載時(shí)的諧波功耗，從而降低功率損耗。此外，我們還可降低音頻噪聲。