- 準(zhǔn)共振轉(zhuǎn)換器概述
- 準(zhǔn)共振轉(zhuǎn)換器工作
- 控制器選擇
- 重要的設(shè)計注意事項(xiàng)
與返馳式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)湎啾?，?zhǔn)共振設(shè)計不僅能提供高能效，而且生成的電磁干擾 (EMI) 也較低，使得它特別適合噪音敏感的應(yīng)用，例如電視機(jī)或音頻設(shè)備。然而，實(shí)施工作變得更加龐大，令工程師感到恐懼，這往往使工程師推遲探索上述這些好處。在這篇文章中，F(xiàn)uture Electronics（波蘭）的技術(shù)經(jīng)理 Piotr Pupar 介紹如何輕松設(shè)計準(zhǔn)共振轉(zhuǎn)換器，它幾乎與流行的返馳式轉(zhuǎn)換器一樣容易。
準(zhǔn)共振轉(zhuǎn)換器概述
在電源轉(zhuǎn)換器中實(shí)施共振電路的目的是為了改進(jìn)半導(dǎo)體開關(guān)的換向過程。事實(shí)上，在添加共振電路后，您能夠進(jìn)行零電壓和零電流開關(guān)，與基本的硬交換返馳式轉(zhuǎn)換器等傳統(tǒng)SMPS 拓?fù)湎啾?，整體系統(tǒng)效率都有了提升。典型的準(zhǔn)共振轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)大約 83％-87％ 的效率。此外，共振轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的 EMI 比硬交換轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的 EMI 少。
另一個重要的好處是：在發(fā)生短路時，其固有的安全性很高。這是因?yàn)?，在完全除去變壓器的磁性之前，MOSFET 的傳導(dǎo)周期將被抑制，它意味著變壓器飽和不可能發(fā)生。同時，因?yàn)闇?zhǔn)共振轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生功率的方式與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器的方式相同，所以先前實(shí)施了傳統(tǒng)返馳式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計人員完全有能力實(shí)施準(zhǔn)共振轉(zhuǎn)換器。幾乎不需要任何額外的知識。
然而，應(yīng)當(dāng)指出，準(zhǔn)共振技術(shù)也有一些缺點(diǎn)。對于在非連續(xù)導(dǎo)通模式下工作的系統(tǒng)，一般來說，通過電感器的電流在換向周期結(jié)束時會下降到零，峰值電流和 RMS 值會相對較高。這導(dǎo)致 MOSFET 中較高的傳導(dǎo)損耗和變壓器中較大的高頻損耗。因此，對于寬范圍電源應(yīng)用，在低于 150W 的功率級別可獲得準(zhǔn)共振電路的最好結(jié)果；對于歐洲電源電壓范圍，則在低于 200W 的功率級別可獲得最好結(jié)果。
準(zhǔn)共振轉(zhuǎn)換器的另一個不太理想的特性是，當(dāng)負(fù)載下降時，交換頻率上升。在極端情況下，因?yàn)?MOSFET 中的功率損耗在高交換頻率時會大大增加，因此這種現(xiàn)象可能會消除軟交換的優(yōu)勢。這就需要 PWM 控制器實(shí)施頻率鉗位，防止頻率超過已定義的最大級別。
最后，準(zhǔn)共振轉(zhuǎn)換器通常需要具有 800V 漏極至源極電壓 (VDS) 的 MOSFET，該電壓高于在相同條件下工作的標(biāo)準(zhǔn)返馳式控制器的電壓，對于標(biāo)準(zhǔn)返馳式控制器來說，通常 600V 就足夠了。此類 800V 設(shè)備一般要比 600V 同等設(shè)備昂貴，并且通常無法作為控制器集成到同一個封裝中。
準(zhǔn)共振轉(zhuǎn)換器工作
與共振電路在轉(zhuǎn)換過程中發(fā)揮積極作用的共振拓?fù)洳煌?，?zhǔn)共振拓?fù)鋬H實(shí)施軟換向過程。圖 1 中顯示準(zhǔn)共振返馳式轉(zhuǎn)換器的簡化圖表。這種拓?fù)渑c常規(guī)方波 PWM 返馳式轉(zhuǎn)換器具有明確的相似之處，其中 MOSFET 輸出電容器 (Coss) 表示漏極節(jié)點(diǎn)的總電容。
圖 2 顯示準(zhǔn)共振返馳式轉(zhuǎn)換器的典型波形。如果二極管電流在 MOSFET 關(guān)閉后達(dá)到零，則 MOSFET VDS 會由于原邊電感器 (Lm) 與 MOSFET 輸出電容器 Coss 之間的共振而開始振蕩。在 VDS 達(dá)到其最小值時（因漏極與源極之間的電容負(fù)載，降低 MOSFET 導(dǎo)通開關(guān)損耗），通過開啟 MOSFET 來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)共振交換。設(shè)計變壓器匝數(shù)比 Np/Ns，以便共振振幅大于 VIN，從而使零電壓開關(guān) MOSFET 能夠?qū)崿F(xiàn)。
控制器選擇
準(zhǔn)共振返馳式轉(zhuǎn)換器的 PWM 控制器來源于硬交換返馳式轉(zhuǎn)換器的控制器，但添加了某些特點(diǎn)；從根本上說，它必須能夠檢測到谷值何時達(dá)到其最低點(diǎn)，然后開啟 MOSFET；傳統(tǒng)硬交換返馳式轉(zhuǎn)換器不需要此能力。原則上，能夠檢測 VDS 負(fù)值的任何 PWM 控制器均可用于控制準(zhǔn)共振轉(zhuǎn)換器。Fairchild Semiconductor、STMicroelectronics 和 ON Semiconductor 等半導(dǎo)體制造商提供綜合解決方案，成功解決準(zhǔn)共振技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)；STMicroelectronics 的 L6566A等也支持傳統(tǒng)返馳式轉(zhuǎn)換器模式。
適用于準(zhǔn)共振轉(zhuǎn)換器的控制器包括：
? 出自 Fairchild Semiconductor 的 FAN6921
? 出自 ON Semiconductor 的 NCP1380
? 出自 STMicroelectronics 的 L6566A/B/BH
? 出自 STMicroelectronics 的 ALTAIR05T-800
來自 Fairchild 的應(yīng)用說明 6921 和 4150、來自 ON Semiconductor 的 AND8431/D 以及來自 STMicroelectronics 的 AN1326 提供了大量的信息，以幫助設(shè)計人員實(shí)施準(zhǔn)共振轉(zhuǎn)換。
重要的設(shè)計注意事項(xiàng)
首次進(jìn)行準(zhǔn)共振轉(zhuǎn)換器設(shè)計之前，在前面所述的應(yīng)用說明的幫助下，了解將面臨的主要問題是一件非常值得的事情。正如討論的那樣，可靠檢測 MOSFET 電壓谷值是準(zhǔn)共振轉(zhuǎn)換器操作中的要素。某些 PWM 轉(zhuǎn)換器實(shí)施此功能要比其他轉(zhuǎn)換器做得更好，因此在評價競爭對手的設(shè)備時，務(wù)必留意這一點(diǎn)。例如，圖 3 顯示使用 Fairchild FAN6921 PWM 控制器的谷值檢測電路的典型應(yīng)用。通過監(jiān)視流出谷值檢測針 (DET) 的電流來檢測MOSFET的電壓谷值；當(dāng)流出檢測針的電流超過30μA 時，將觸發(fā)該電路。這是特別有吸引力的解決方案，因?yàn)樗恍枰粋€變壓器輔助線圈和兩個電阻。
PWM 控制器的第二個重要特性是頻率處理限制在減少的負(fù)載。風(fēng)險在于，當(dāng)開關(guān)頻率接近上限時，會發(fā)生谷值跳轉(zhuǎn)，并且控制器在兩個谷值之間振蕩，導(dǎo)致操作不穩(wěn)定和中低輸出時發(fā)出噪音。出于此原因，先進(jìn)的準(zhǔn)共振控制器采用谷值鎖定電路。在這里，當(dāng)負(fù)載下降時，將通過更改谷值，逐步降低開關(guān)頻率。一旦控制器選擇某個谷值，它將鎖定這個谷值，直到輸出功率發(fā)生極大變化為止。這是使準(zhǔn)共振操作延伸到輕負(fù)載且頻率穩(wěn)定性不會下降的成功技術(shù)。ON Semiconductor 的 NCP1380 提供此技術(shù)的良好示例。該控制器調(diào)低到第四個谷值工作，并在此后切換到變頻模式，從而確保優(yōu)秀的待機(jī)功率性能。
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最后一個要注意的特點(diǎn)是集成的 PFC 控制。設(shè)計適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)共振轉(zhuǎn)換器應(yīng)實(shí)現(xiàn)超過 80% 的效率，增加 PFC 控制電路可以進(jìn)一步提高此效率。Fairchild 的 FAN6921 具有集成的 PFC 控制器。另外，STMicroelectronics L6566A 提供 PFC 前端，它與 L6563 等外部 PFC 控制器配合工作。ON Semiconductor 的 NCP1381/82 準(zhǔn)共振控制器在低負(fù)載條件下可以自動斷開 PFC 控制器。此功能使設(shè)計人員能夠擴(kuò)大準(zhǔn)共振轉(zhuǎn)換器的效率優(yōu)勢，同時降低待機(jī)功耗。
