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          兩種提高電源效率的技術(shù)

          作者: 時間:2024-05-23 來源:陸123 收藏

          全球?qū)δ茉闯杀旧蠞q、環(huán)保和能源可持續(xù)性的關(guān)注正在推動歐盟、美國加州等地的相關(guān)機構(gòu)相繼推 出降低電子設(shè)備能耗的規(guī)范。交流輸入電源,不論是獨立式的還是集成在電子設(shè)備中的,都會造成 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被浪費掉。其次,當負載未被使用時,連接交流線的電源會以待機功耗的形式消耗能量。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202405/459134.htm

          近年來,對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% 這四個點的四點平均水平。同樣地,最大允許待 機功耗也越來越受到限制,歐盟提議所有設(shè)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。


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


          不過,隨著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(zhuǎn)換器拓撲和不對稱半橋拓撲。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(zhuǎn)換器比準諧振反激式拓撲更有效。而在這兩個功率 級之上,不對稱半橋轉(zhuǎn)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關(guān)損耗。圖 1 對比了連續(xù)傳導模式 (CCM) 反激式、 準諧振反激式和 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的導通開關(guān)波形。

          所有情況下的開關(guān)損耗都由下式表示:

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



          CCM 反激式轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗最高。對于輸入電壓范圍很寬的設(shè)計,VDS 在 500V – 600V 左右,是 輸入電壓 VDC 與反射輸出電壓 VRO 之和。進入不連續(xù)傳導模式 (DCM) 時,漏電流降為零,開關(guān)損 耗的第一項也隨之降為零。在準諧振轉(zhuǎn)換器中,若在電壓波形的第一個 (或后一個) 波谷時導通,可 進一步降低損耗。圖中虛線所示為準諧振轉(zhuǎn)換器在第一個谷底導通時的漏極波形。


          如果準諧振反激式轉(zhuǎn)換器的匝數(shù)比為 20,輸出電壓為 5V,則 VRO 等于 100V,因此對于 375V 的總 線電壓,開關(guān)將在 275V 時導通。若有效輸出電容 COSSeff 為 73 pF,開關(guān)頻率 fSW 為 66 kHz,則損 耗為 0.18W:



          對于標準 CCM 反激式轉(zhuǎn)換器,開關(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(xù)模式反激式轉(zhuǎn)換器,功耗在 0.18W 和 0.54W 之間波動,具體 取決于時序。影響時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,反之會降低效率。對非連續(xù)模式反激式轉(zhuǎn)換器,這常表現(xiàn)為滿負載效率曲線的異常變化。這時,輸入電壓改變而 輸出電流 (及電壓) 恒定。效率曲線隨開關(guān)點前移而顯示出波動。初級端電感的批次差異也會顯示出 變化,從而改變效率。


          諧振轉(zhuǎn)換器采用了一種不同的技術(shù)來降低開關(guān)損耗。讓我們回頭再看看導通損耗公式,由式中可 見,如果 VDS 設(shè)為零,就根本沒有損耗,這個原理被稱為零電壓開關(guān) (ZVS),用于諧振轉(zhuǎn)換器,尤 其是 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器,如圖 1 所示。



          通過讓電流反向流經(jīng)開關(guān),可實現(xiàn)零電壓開關(guān)。當開關(guān)電流反向時,體 (body) (或外部反向并聯(lián)) 二 極管把電壓鉗位在一個低值,例如 1V,這遠低于前面提到的反激式轉(zhuǎn)換器的 400V。


          諧振轉(zhuǎn)換器利用一個諧振電路來產(chǎn)生延時。兩個 MOSFET 產(chǎn)生方波,并加載在諧振電路上。通過 選擇合適的諧振電路,并把工作點設(shè)置在諧振點之上,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零點時, 電流仍為負,從而實現(xiàn)零電壓開關(guān)。


          3、結(jié)構(gòu)


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




          LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的模塊示意圖與雙開關(guān)正激轉(zhuǎn)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 個組件來完成: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必須一個額外的電感,或者是變壓器的線圈需以增加漏電感的方式進行纏 繞,以使其增大。LLC 諧振轉(zhuǎn)換器在初級端有一個半橋結(jié)構(gòu),但與雙開關(guān)正激轉(zhuǎn)換器不同的是,它 不需要任何二極管。此外,還帶有一個雙開關(guān)正激轉(zhuǎn)換器所沒有的諧振電容,以及兩個輸出二極管 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(cè),然 后再將之轉(zhuǎn)移到次級側(cè)。雙開關(guān)正激轉(zhuǎn)換器則不然,它是在開關(guān)導通時把能量從初級側(cè)轉(zhuǎn)移到次級 側(cè)。和反激式轉(zhuǎn)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 諧振開關(guān)的優(yōu)勢都包括了降低導通損耗,但缺點是頻率隨負載減小而增大。兩種轉(zhuǎn) 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)斷時間,在輕載時上述效應會降低效率。飛兆半導體的準諧振 FPS 功率開關(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) 來彌補準諧振控制器固 有的這種缺陷??刂破髦恍璧却疃虝r間,對應最大頻率,然后開關(guān)在下一個波谷時導通,這種方 法可以提高輕載下的效率。FPS FSFR2100 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器和包括 FSQ0165RN 在內(nèi)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(tǒng)需要,建議加入一個 采用了 FSQ510 這類器件的輔助電源,以保持低待機功耗。


          LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的另一個局限性是它的增益動態(tài)范圍非常有限。圖 3 所示為一個 LLC 轉(zhuǎn)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,它的增益動態(tài)范圍很小,在 1.0 到 1.4 之間,如果 1.2 的增益代表一個 220VAC 輸入電壓的系統(tǒng)獲得所需輸出電壓的增益,則動態(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的輸入電壓范圍,但 只要通過精心設(shè)計來實現(xiàn)保持時間 (hold-up time) 的條件,就可以用于歐洲的輸入范圍。LLC 諧振 轉(zhuǎn)換器通常與功率因數(shù)校正級一起使用,后者可為 LLC 轉(zhuǎn)換器提供調(diào)節(jié)良好的輸入電壓。


          通過增大漏電感與磁化電感的比值,可以增加增益動態(tài)范圍,但代價是輕載效率因磁化電流變大而 降低。實際上,這是通過采用第二個電感來實現(xiàn)的,因為如果漏電感太大的話,要獲得可重復的漏 /磁化電感比值是有實際限制的。



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

          準諧振轉(zhuǎn)換器的實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 電源的滿負載效率約為 81%;而對采用了帶外部 MOSFET 的準諧振轉(zhuǎn)換器的 70W/22V 電源,滿負載效率則超過了 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,效率必然會迅速降到上述水平之下。一個 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好處是 EMI 遠小于硬開關(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,由于開關(guān)行為在較低電壓時發(fā)生,開關(guān)噪聲減小,故共模 EMI噪聲也相應減小。


          LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的實際工作范圍從 70W 左右到 500W 以上,帶有一個 PFC 前端的 FSFR2100 已用于實現(xiàn) 200W 到 420W 的電源。對于高達 200W 的應用,一般無需使用 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,這時因為采用了 MOSFET (雖然 MOSFET 的控制信號不易產(chǎn)生),因此無需散熱器。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



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