準方波諧振電源的谷底跳頻問(wèn)題解決方案v

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)