兩種提高電源效率的技術(shù)

全球對能源成本上漲、環(huán)保和能源可持續性的關(guān)注正在推動(dòng)歐盟、美國加州等地的相關(guān)機構相繼推 出降低電子設備能耗的規范。交流輸入電源，不論是獨立式的還是集成在電子設備中的，都會(huì )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載工作時(shí)被浪費掉。其次，當負載未被使用時(shí)，連接交流線(xiàn)的電源會(huì )以待機功耗的形式消耗能量。

近年來(lái)，對電源效率等級的要求日趨嚴格。最近，80% 以上的效率已成為了基本標準。新倡議的能 效標準更是要求效率達到 87%及以上。此外，只在滿(mǎn)負載下測量效率的老辦法已被淘汰。目前的新 標準涉及了額定負載的 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 機功耗也越來(lái)越受到限制，歐盟提議所有設備的待機功耗均應低于 500mW，對于我們將討論的電 視機，則小于 200mW。

除專(zhuān)家級的高效率電源設計領(lǐng)域之外，電子設備中所用的功率范圍從 1W 到 500W 的交流輸入電 源 ，一直以來(lái)主要采用兩種拓撲：標準 (或硬開(kāi)關(guān)) 反激式 (flyback) 拓撲，和雙開(kāi)關(guān)正激拓撲。這 兩種拓撲都很易于理解，而它們存在的問(wèn)題，以及如何予以避免，業(yè)界都已有充分的認識。

不過(guò)，隨著(zhù)對效率的要求不斷提高，這兩種拓撲將逐漸為三種新的拓撲所取代：準諧振反激式拓 撲、LLC 諧振轉換器拓撲和不對稱(chēng)半橋拓撲。準諧振反激式拓撲已被成功用于最低功率級到 200W 以上的范圍。在 70W-100W 范圍，LLC 諧振轉換器比準諧振反激式拓撲更有效。而在這兩個(gè)功率 級之上，不對稱(chēng)半橋轉換器也很有效。

2、工作原理

準諧振和諧振拓撲都能夠降低電路中的導通開(kāi)關(guān)損耗。圖 1 對比了連續傳導模式 (CCM) 反激式、 準諧振反激式和 LLC 諧振轉換器的導通開(kāi)關(guān)波形。

所有情況下的開(kāi)關(guān)損耗都由下式表示：

這里，PTurnOnLoss 為開(kāi)關(guān)損耗；ID 為 漏極電流；VDS 是開(kāi)關(guān)上的電壓；COSSeff 是等效輸出電容值(包 括雜散電容效應)；tON 是導通時(shí)間，而 fSW 是開(kāi)關(guān)頻率。

CCM 反激式轉換器的開(kāi)關(guān)損耗最高。對于輸入電壓范圍很寬的設計，VDS 在 500V – 600V 左右，是 輸入電壓 VDC 與反射輸出電壓 VRO 之和。進(jìn)入不連續傳導模式 (DCM) 時(shí)，漏電流降為零，開(kāi)關(guān)損 耗的第一項也隨之降為零。在準諧振轉換器中，若在電壓波形的第一個(gè) (或后一個(gè)) 波谷時(shí)導通，可 進(jìn)一步降低損耗。圖中虛線(xiàn)所示為準諧振轉換器在第一個(gè)谷底導通時(shí)的漏極波形。

如果準諧振反激式轉換器的匝數比為 20，輸出電壓為 5V，則 VRO 等于 100V，因此對于 375V 的總 線(xiàn)電壓，開(kāi)關(guān)將在 275V 時(shí)導通。若有效輸出電容 COSSeff 為 73 pF，開(kāi)關(guān)頻率 fSW 為 66 kHz，則損 耗為 0.18W：

對于標準 CCM 反激式轉換器，開(kāi)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。故對于非連續模式反激式轉換器，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。對非連續模式反激式轉換器，這常表現為滿(mǎn)負載效率曲線(xiàn)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(xiàn)隨開(kāi)關(guān)點(diǎn)前移而顯示出波動(dòng)。初級端電感的批次差異也會(huì )顯示出 變化，從而改變效率。

諧振轉換器采用了一種不同的技術(shù)來(lái)降低開(kāi)關(guān)損耗。讓我們回頭再看看導通損耗公式，由式中可 見(jiàn)，如果 VDS 設為零，就根本沒(méi)有損耗，這個(gè)原理被稱(chēng)為零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS)，用于諧振轉換器，尤 其是 LLC 諧振轉換器，如圖 1 所示。

通過(guò)讓電流反向流經(jīng)開(kāi)關(guān)，可實(shí)現零電壓開(kāi)關(guān)。當開(kāi)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，這遠低于前面提到的反激式轉換器的 400V。

諧振轉換器利用一個(gè)諧振電路來(lái)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(guò) 選擇合適的諧振電路，并把工作點(diǎn)設置在諧振點(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，因而當電壓波形達到其過(guò)零點(diǎn)時(shí)， 電流仍為負，從而實(shí)現零電壓開(kāi)關(guān)。

3、結構

圖 2 所示分別為準諧振轉換器的電路示意圖及 LLC 諧振轉換器的模塊示意圖。準諧振轉換器的電 路示意圖看起來(lái)非常類(lèi)似于反激式轉換器，只是它帶有一個(gè)幫助確定電壓谷底時(shí)序的檢測電路。

LLC 諧振轉換器的模塊示意圖與雙開(kāi)關(guān)正激轉換器截然不同。其之所以名曰“LLC”，是因為諧振 電路的工作由 3 個(gè)組件來(lái)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(zhù)必須一個(gè)額外的電感，或者是變壓器的線(xiàn)圈需以增加漏電感的方式進(jìn)行纏 繞，以使其增大。LLC 諧振轉換器在初級端有一個(gè)半橋結構，但與雙開(kāi)關(guān)正激轉換器不同的是，它 不需要任何二極管。此外，還帶有一個(gè)雙開(kāi)關(guān)正激轉換器所沒(méi)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，雙開(kāi)關(guān)正激應用所 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，然 后再將之轉移到次級側。雙開(kāi)關(guān)正激轉換器則不然，它是在開(kāi)關(guān)導通時(shí)把能量從初級側轉移到次級 側。和反激式轉換器一樣，雙向，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(wú)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

準諧振和 LLC 諧振開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢都包括了降低導通損耗，但缺點(diǎn)是頻率隨負載減小而增大。兩種轉 換器的關(guān)斷損耗都隨頻率的增大而變得嚴重。

這里，tOFF 是關(guān)斷時(shí)間，在輕載時(shí)上述效應會(huì )降低效率。飛兆半導體的準諧振 FPS 功率開(kāi)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(lái)彌補準諧振控制器固 有的這種缺陷?？刂破髦恍璧却疃虝r(shí)間，對應最大頻率，然后開(kāi)關(guān)在下一個(gè)波谷時(shí)導通，這種方 法可以提高輕載下的效率。FPS FSFR2100 LLC 諧振轉換器和包括 FSQ0165RN 在內的產(chǎn)品系列 都具有突發(fā)模式功能，可降低極輕負載下的功耗。對于 FSFR2100，如果系統需要，建議加入一個(gè) 采用了 FSQ510 這類(lèi)器件的輔助電源，以保持低待機功耗。

LLC 諧振轉換器的另一個(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 轉換器的增 益特性與頻率及負載的關(guān)系。這種拓撲之所以廣受歡迎是由于其頻率隨負載變化的改變較小，在 100kHz 的諧振頻率上限，頻率不隨負載變化而改變。不過(guò)，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，這種拓撲不太可能適用于常見(jiàn)的輸入電壓范圍，但 只要通過(guò)精心設計來(lái)實(shí)現保持時(shí)間 (hold-up time) 的條件，就可以用于歐洲的輸入范圍。LLC 諧振 轉換器通常與功率因數校正級一起使用，后者可為 LLC 轉換器提供調節良好的輸入電壓。

通過(guò)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(guò)采用第二個(gè)電感來(lái)實(shí)現的，因為如果漏電感太大的話(huà)，要獲得可重復的漏 /磁化電感比值是有實(shí)際限制的。

準諧振反激式和 LLC 諧振轉換器在嵌入式交流輸入電源中的應用越來(lái)越廣泛。

準諧振轉換器的實(shí)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(mǎn)負載效率約為 81%；而對采用了帶外部 MOSFET 的準諧振轉換器的 70W/22V 電源，滿(mǎn)負載效率則超過(guò)了 88%。前者的待機功耗遠低于 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。

準諧振拓撲還有一個(gè)好處是 EMI 遠小于硬開(kāi)關(guān)應用的，其頻率將隨 400V 輸入電容上的紋波而變化，導致自然的頻譜擴展。此外，由于開(kāi)關(guān)行為在較低電壓時(shí)發(fā)生，開(kāi)關(guān)噪聲減小，故共模 EMI噪聲也相應減小。

LLC 諧振轉換器的實(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 200W 到 420W 的電源。對于高達 200W 的應用，一般無(wú)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)因為采用了 MOSFET (雖然 MOSFET 的控制信號不易產(chǎn)生)，因此無(wú)需散熱器。對于采用了肖特基二極管的應用，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