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設(shè)計(jì)開關(guān)電源的理想方案:雙管反激式轉(zhuǎn)換器

發(fā)布時間:2012-07-16

中心議題:
  • 設(shè)計(jì)開關(guān)電源的挑戰(zhàn)
  • 雙管反激解決方案
  • 雙管反激主要特點(diǎn)
  • 雙管反激的好處
  • 雙管QR反激與單開關(guān)反激比較

高效率和低待機(jī)功耗是現(xiàn)今開關(guān)電源設(shè)計(jì)的兩大難題,由于諧振拓?fù)浠騆LC拓?fù)淠軌驖M足高效率的要求,因而日益流行。然而在這種拓樸中,前PFC級必須在輕負(fù)載期間保持運(yùn)作,造成諧振回路中存在內(nèi)循環(huán)損耗,待機(jī)功耗成為一個頭疼問題。對于沒有附加輔助電源的應(yīng)用,LLC諧振拓?fù)潆y以滿足2013 ErP等新法規(guī),在0.25W負(fù)載下輸入功率低于0.5W的要求。雙管反激式拓樸是能夠應(yīng)對效率和待機(jī)功耗兩大挑戰(zhàn)的解決方案,適用于75W~ 200W范圍的電源。它提供了與LLC諧振解決方案相當(dāng)?shù)男?,還有大幅改良的待機(jī)功率性能。雙管反激式拓樸能夠成為頗具吸引力的解決方案,可替代復(fù)雜的LLC諧振轉(zhuǎn)換器,用于筆記本電腦適配器、LED-TV電源、LED照明驅(qū)動器、一體型電腦電源和大功率充電器應(yīng)用。

設(shè)計(jì)開關(guān)電源的挑戰(zhàn)

現(xiàn)代設(shè)計(jì)開關(guān)電源的挑戰(zhàn)大致分為五個部分。

•低待機(jī)功耗

•高效率

•高功率密度

•高可靠性

•低成本

用于75W~200W應(yīng)用的理想解決方案,現(xiàn)有的單反激式轉(zhuǎn)換器解決方案為目前最普遍的解決方案之一,有低待機(jī)功耗、低成本和易于設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)而被大量使用,但對于未來更高它不能解決所有設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)?,F(xiàn)有的單反激式轉(zhuǎn)換器解決方案面臨著很多困難,難以達(dá)到> 90%的低效率問題、低功率密度、過高的MOSFET漏源電壓和緩沖器損耗和發(fā)熱問題都不利于高可性的要求,而且限制功率范圍必須為150W以內(nèi)。

為了提高效率和功率密度,可零電壓切換的LLC轉(zhuǎn)換器解決方案被逐漸使用,但這也不能解決所有設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),例如,無輔助電源便不能滿足2013 ErP Lot 6要求 (<0.5W@0.25W),還有在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中,對于變壓器容差和柵極驅(qū)動時限敏感的問題。

雙管反激解決方案 (75~200W)

雙管反激解決方案分為三個部分,分別是FAN6920: BCM PFC + QR 組合;FAN7382: H/L 驅(qū)動器;FAN6204: SR控制器,如圖1所示。

圖1 飛兆半導(dǎo)體雙管反擊解決方案
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雙管反激主要特點(diǎn)


雙管QR反激轉(zhuǎn)換器主要特點(diǎn)分為四個方面,它在低待機(jī)功耗、高效率、易于設(shè)計(jì)和低EMI方面有顯著的優(yōu)勢。

在低待機(jī)功耗方面,雙管QR反激轉(zhuǎn)換器能完全滿足2013 ErP Lot 6要求。在PIN<0.5W @230Vac; PO=0.25W;PIN<0.25W@ 230Vac(無負(fù)載時)。

在高效率方面,雙管QR反激轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)表現(xiàn)在漏電感能量可以回收至輸入,且無需有損耗的緩沖器;500V MOSFET可以用在初級端;初級端采用谷底開關(guān)以降低開關(guān)損耗;減小次級端整流器的電壓應(yīng)力;可使用可變PFC輸出電壓技術(shù)以提高整個系統(tǒng)的低壓線路效率。

雙管QR反激轉(zhuǎn)換器具有易于設(shè)計(jì)的特點(diǎn),它與熟知的傳統(tǒng)反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)相同,并且可以簡便地實(shí)現(xiàn)變壓器批量生產(chǎn)。它可以使用超低側(cè)高變壓器,無需考慮泄漏電感。

在EMI方面,雙管QR反激轉(zhuǎn)換器具有低EMI,漏極過沖電壓被箝制在輸入電壓上;谷底開關(guān)等特點(diǎn)。

雙管反激基本工作原理

雙管反激與單管反激的基本原理相似,只是多了一個階段2。階段1、3、4與零諧振單管反激的工作原理相同。階段1: Q1和Q2同時導(dǎo)通,變壓器的電感電流將會線性增加并將能量儲存于變壓器中;當(dāng)2個MOS管關(guān)閉時候就進(jìn)入階段2;階段2:因?yàn)槁└兴纬傻母呗┰措妷簳?dǎo)致2個回收二極體導(dǎo)通,Q1和Q2截止,D1,D2導(dǎo)通;當(dāng)漏感能量回收完畢,進(jìn)入階段3;階段 3和4: Q1和Q2 截止,D1和D2截止。

雙管反激的好處

雙管反激的好處之一就是減少能量損耗。無緩沖器損耗和發(fā)熱問題,漏電感能量可回收在大容量電容器中。

雙管反激拓?fù)涞暮锰幹歉呖煽啃院偷烷_關(guān)損耗。由于低MOSFET漏源電壓得到良好的可靠性,允許大匝數(shù)比(n)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)近似于ZVS開關(guān)的低開關(guān)損耗。

雙管反激拓?fù)涞暮锰幹菧p小次級端傳導(dǎo)損耗。SR MOSFET的VDS為:VIN/n+VOUT,大匝數(shù)比n對于SR MOSFET的好處是大n意味著較低的VDS,即較低MOSFET Ron,這樣就得到了較低價格,降低了成本得到了較高的效率。舉例說明,當(dāng)VIN = 420V,Vo=12V,n= 12,那么,VDS=420V/12 +12V=47V,則可以選擇60V或75V SR MOSFET。

雙管反激拓?fù)涞暮锰幹氖强梢蕴岣叩蛪壕€路效率。兩級PFC輸出以提高低壓線路效率。

雙管反激拓?fù)涞暮锰幹迨翘岣咻p負(fù)載效率。深度擴(kuò)展谷底開關(guān)(最多第12個谷底周期)允許輕負(fù)載下的低工作頻率。

雙管反激拓?fù)涞暮锰幹菍?shí)現(xiàn)低待機(jī)功耗。雙管反激拓?fù)錈o緩沖器損耗和發(fā)熱問題,漏電感能量可回收在大容量電容器中。

雙管QR反激與單開關(guān)反激比較

單開關(guān)對比雙管QR反激轉(zhuǎn)換器如圖3所示,左邊為單開關(guān)QR反激,右邊為雙開關(guān)QR反激。

圖2 雙管反激基本工作原理

圖3 單開關(guān)對比雙管QR反激轉(zhuǎn)換器
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單開關(guān)QR反激具體特性有:

•需要RCD緩沖器以

耗散漏電感能量

•需要高壓MOSFET

(700~800V)

•需要較高壓SR MOSFET (>100V for

12V Vo)

•較低的匝數(shù)比

雙開關(guān)QR反激具體特性有:

•漏電感能量可回收到輸入

•若反射輸出電壓(VO×Np/Ns)大于

輸入電壓,能量不會傳送到輸出(不

允許ZVS)

•可使用500V MOSFET

•可使用<75V SR MOSFET(for 12V

Vo)

•較高的匝數(shù)比

雙管QR反激對比LLC諧振轉(zhuǎn)換器

雙管QR反激與LLC諧振轉(zhuǎn)換器如圖4所示,左邊為雙管QR反激,右邊為LLC諧振轉(zhuǎn)換器等特點(diǎn)。

圖4 雙管QR反激對比LLC諧振轉(zhuǎn)換器

雙管QR反激具體特性有:

•初級端電流隨負(fù)載減少而減少

•近似于ZVS運(yùn)作(谷底開關(guān))

•變壓器設(shè)計(jì)簡單,與傳統(tǒng)反激式轉(zhuǎn)換器一樣

•無直通問題

LLC諧振轉(zhuǎn)換器具體特性有:

•即使在輕負(fù)載條件下初級端也有大環(huán)

流電流(高待機(jī)功耗)

•完全的ZVS運(yùn)作

•復(fù)雜的變壓器設(shè)計(jì)

•固有的直通(shoot through)問題

雙管反激與LLC諧振轉(zhuǎn)換器在19V/90W輸出的演示版上的效率比較,可以看出LLC在高壓輸入即重載時的表現(xiàn)非常好,但是在低壓輸入即輕載時的表現(xiàn)相對較弱??偟膩碚f,雙管反激的平均效率較好,因?yàn)樗妮p載效率比LLC諧振轉(zhuǎn)換器大幅提升在低電壓輸入時也有部輸于LLC諧振轉(zhuǎn)換器的效率表現(xiàn)。[page]
表1 雙管反激與LLC諧振轉(zhuǎn)換器特性比較

19V/90W輸出的適配器,這個適配器高16.5mm,長95mm,寬60mm,在這么一個薄小的設(shè)計(jì)卻能達(dá)到較好的效率,如表2所示。130W/19V一體機(jī)PC電源效率如表3所示。130W/19V一體機(jī)PC電源效率如表3所示。200W/19V 一體機(jī)PC電源效率如表4所示。
表2 19V/90W輸出的適配器效率表現(xiàn)
表3 130W/19V一體機(jī)PC電源效率
表4 200W/19V一體機(jī)PC電源效率
 

目標(biāo)應(yīng)用

雙管反激適用于75W ~200W功率范圍。

•一體型(AIO)PC電源

• LED TV

•筆記本電腦適配器

•游戲機(jī)

• LED照明

•要求高效率和低待機(jī)功耗的單輸出應(yīng)用

總而言之,雙管反激可說是吸取了單管反激低待機(jī)功耗的優(yōu)點(diǎn)和LLC諧振轉(zhuǎn)換器高效能的優(yōu)點(diǎn),達(dá)到了高效率低待機(jī)和低功耗。
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