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電源準(zhǔn)諧振變換器的研究

發(fā)布時(shí)間:2008-10-14 來(lái)源:Fairchild Semiconductor公司工業(yè)與家電產(chǎn)品部

中心論題:

  • 準(zhǔn)諧振變換的工作原理。
  • 導(dǎo)通模式及非導(dǎo)通模式下工作的電流模式反激變換器工作原理。
  • Fairchild的大功率準(zhǔn)諧振功率開關(guān)上的反激與降壓應(yīng)用。
解決方案:
  • 控制器等待漏極電壓的一個(gè)波谷到來(lái)后再導(dǎo)通解決開關(guān)總是在到達(dá)首個(gè)波谷時(shí)導(dǎo)通的問(wèn)題。
  • Fairchild功率開關(guān)實(shí)現(xiàn)頻率限制在較窄的范圍內(nèi)控制開關(guān)損耗。
  • 現(xiàn)代控制器或集成功率開關(guān)中的頻率箝位電路解決簡(jiǎn)單電路在較小負(fù)載下?lián)p耗大的缺點(diǎn)。
  • 準(zhǔn)諧振過(guò)程中的固有頻率抖動(dòng)可傳播EMI噪聲降低濾波器成本。
  • 添加簡(jiǎn)單的比較器和閂鎖電路實(shí)現(xiàn)出現(xiàn)大電流時(shí)閉鎖功率開關(guān)功能。

準(zhǔn)諧振變換(Quasi-resonant Converters)是一種成熟的技術(shù),在電源消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域已獲得了廣泛應(yīng)用。本文闡述了準(zhǔn)諧振反激變換器和降壓變換器,介紹了它們提高電源效率的工作原理。

準(zhǔn)諧振變換的工作原理是降低電源開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的導(dǎo)通損耗,諧振變換器可將導(dǎo)通損耗降到最低,但其工作原理則完全不同。有一個(gè)方法可以解釋準(zhǔn)諧振原理,可以設(shè)想一個(gè)非連續(xù)導(dǎo)通模式運(yùn)行的擴(kuò)展過(guò)程。

圖1說(shuō)明了在非連續(xù)導(dǎo)通模式下工作的電流模式反激變換器的漏極波形,這里只施加了一個(gè)門脈沖。在第一個(gè)時(shí)間間隔,漏電流上升,直到達(dá)到所需的電流強(qiáng)度,此時(shí)電源開關(guān)關(guān)閉,回轉(zhuǎn)變壓器中的漏電感與節(jié)點(diǎn)電容形成諧振。這會(huì)導(dǎo)致漏電感浪涌,該浪涌受箝位電路限制,在電感浪涌消失后,漏極電壓返回到等于輸入電壓加上初級(jí)線圈感應(yīng)電壓的水平。如果忽略初級(jí)線圈電感和節(jié)點(diǎn)電容的影響,當(dāng)輸出二極管中的電流降到零時(shí),漏極電壓立即降到總線電壓,但漏極電壓衰減到如圖1所示的水平。

初級(jí)線圈電感和節(jié)點(diǎn)電容形成一個(gè)諧振電路,使電感的值為1.4mH,節(jié)點(diǎn)電容的值為73pF,利用方程式:4π2f2LC=1可得出諧振頻率為500kHz,諧振電路略微衰減。我們注意到采用此近似值的諧振頻率與輸入電壓和載荷電流無(wú)關(guān)。

如果是非連續(xù)導(dǎo)通模式反激變換器,MOSFET在固定的頻率下導(dǎo)通(忽略任何頻率抖動(dòng)的影響)。如果達(dá)到設(shè)定的電流水平,設(shè)備就可以導(dǎo)通、關(guān)閉;然后在前一設(shè)備導(dǎo)通后的某個(gè)固定時(shí)間再度導(dǎo)通,設(shè)備的導(dǎo)通時(shí)間與漏極諧振并不同步。在某些情況下,當(dāng)漏極電壓低于總線電壓和初級(jí)線圈感應(yīng)電壓之和時(shí),設(shè)備就會(huì)導(dǎo)通。在另一些情況下,當(dāng)漏極電壓較大時(shí),設(shè)備才會(huì)導(dǎo)通。這種特點(diǎn)經(jīng)常出現(xiàn)在非連續(xù)導(dǎo)通反激變換器的效率曲線上:在驅(qū)動(dòng)恒定負(fù)載的情況下,當(dāng)設(shè)備導(dǎo)通時(shí)間沿諧振曲線的波形和波谷上下改變時(shí),效率會(huì)隨著輸入電壓而改變。

對(duì)于準(zhǔn)諧振開關(guān),設(shè)備并沒(méi)有固定的開關(guān)頻率,控制器等待漏極電壓的一個(gè)波谷到來(lái)后再導(dǎo)通。針對(duì)彩電市場(chǎng)設(shè)計(jì)的較老的準(zhǔn)諧振設(shè)備,總是在到達(dá)首個(gè)波谷時(shí)導(dǎo)通,這對(duì)于負(fù)載較大的彩電是一個(gè)很好的解決方案,然而,對(duì)于有較寬動(dòng)態(tài)范圍的負(fù)載,還存在一個(gè)問(wèn)題。

設(shè)備關(guān)閉和第一個(gè)波谷之間的時(shí)間由諧振頻率固定,設(shè)備導(dǎo)通和關(guān)閉之間的時(shí)間通過(guò)控制器設(shè)定。對(duì)于較小的負(fù)載,由于電感中所需的能源較少,這個(gè)時(shí)間較短,并且輸出二極管導(dǎo)通的時(shí)間也較短,因此,對(duì)于較小的負(fù)載,頻率增高會(huì)造成更大的開關(guān)損耗。

有了FSQ系列的Fairchild功率開關(guān),就可以利用一個(gè)頻率箝位電路來(lái)解決該問(wèn)題。此電路確保了不超過(guò)最大頻率,并且設(shè)備在出現(xiàn)一個(gè)波谷時(shí)導(dǎo)通。頻率限制在較窄的范圍內(nèi)(如55kHz至67kHz),這樣就可控制開關(guān)損耗,并簡(jiǎn)化變壓器的設(shè)計(jì)。

減少損耗
與非連續(xù)導(dǎo)通模式和連續(xù)導(dǎo)通模式運(yùn)行的反激變換器相比,準(zhǔn)諧振開關(guān)減少了導(dǎo)通損耗,從而提高了效率并降低了設(shè)備溫度。簡(jiǎn)單的準(zhǔn)諧振電路在較小負(fù)載下?lián)p耗較大的缺點(diǎn),已經(jīng)通過(guò)現(xiàn)代控制器或集成功率開關(guān)中的頻率箝位電路克服了。

如果這種情況是在較低的電流和電壓下發(fā)生的(準(zhǔn)諧振即是如此),就可減少導(dǎo)通過(guò)程產(chǎn)生的EMI。而且,準(zhǔn)諧振過(guò)程中的固有頻率抖動(dòng)可傳播EMI噪聲,進(jìn)一步降低了濾波器成本,這是由大容量電容中的輸入電壓紋波造成的。對(duì)于恒定負(fù)載,在最大紋波電壓時(shí)的導(dǎo)通時(shí)間和輸出二極管導(dǎo)通時(shí)間都短于在最小紋波電壓時(shí)的時(shí)間,這導(dǎo)致了頻率掃描等于紋波頻率的開關(guān)頻率進(jìn)行線性的變化(如對(duì)于50Hz交流電的全橋整流電路為100Hz),這降低了從1MHz到150kHz范圍內(nèi)的EMI。這就是在顯像管彩電中采用準(zhǔn)諧振變換器的主要原因:開關(guān)頻率連續(xù)地變化,將電視圖像干擾降到最低。

反激與降壓應(yīng)用
Fairchild的大功率準(zhǔn)諧振功率開關(guān)上市已有數(shù)年了,該產(chǎn)品近來(lái)覆蓋了較小的功率級(jí)別(2W到50W),以滿足市場(chǎng)對(duì)高效低功率電源及低備用電源的需要,原來(lái)的保護(hù)特性都得以保留,產(chǎn)品名稱分別為FSQ0165RN、FSQ0265RN等。

一個(gè)示例是過(guò)電流關(guān)閉閂鎖電路(Latch)如果輸出二極管短路,開關(guān)上的負(fù)載降低到通常比激磁電感低30倍的漏電感。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí),電流迅速地上升30倍。在超出前沿空白(Leading Edge Blanking)時(shí)間之前,控制電路中不會(huì)有大電流,這對(duì)于保護(hù)開關(guān)可能是過(guò)遲了。添加簡(jiǎn)單的比較器和閂鎖電路可在出現(xiàn)大電流時(shí)閉鎖功率開關(guān),而不管前沿空白電路處于什么情況,其它保護(hù)特性包括高溫保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)和臨時(shí)過(guò)載時(shí)有容差的過(guò)載保護(hù)。

圖2說(shuō)明了Fairchild全球電源資源中心德國(guó)的設(shè)計(jì)的示例應(yīng)用,R103-5、D104和C103為檢測(cè)最小漏極電壓所需的額外元件,F(xiàn)OD2741為誤差放大器,它在同一封裝中結(jié)合了標(biāo)準(zhǔn)光耦合器和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的431參考,其它元件為反激變換器的標(biāo)準(zhǔn)部分。

在175V AC到265V AC范圍內(nèi)所測(cè)量的無(wú)負(fù)載待機(jī)功率小于130mW,在較低的輸入電壓下,待機(jī)功率甚至小于同類產(chǎn)品。在整個(gè)電壓范圍內(nèi),滿負(fù)載效率大于86%,這對(duì)于該功率級(jí)別的多路輸出反激電源而言是比較高的。輸入電壓調(diào)節(jié)率非常優(yōu)秀:當(dāng)輸入電壓變化時(shí),測(cè)量的電壓并不隨之改變,而是調(diào)整輸出的負(fù)載調(diào)節(jié)率控制在5%以內(nèi)。

低功耗準(zhǔn)諧振設(shè)備的出現(xiàn)為我們帶來(lái)了更多機(jī)會(huì)。我們開發(fā)了使用FSQ311設(shè)備的20V/100mA輸出的準(zhǔn)諧振降壓電路。在此測(cè)量了有10mA負(fù)載的待機(jī)功耗。在85V AC到265V AC的整個(gè)電壓范圍內(nèi),總功耗小于400mW(包括200mW基礎(chǔ)負(fù)載),小于在180V AC以下350mW的界限。由于漏極電壓的波谷比高輸入電壓時(shí)更接近于零,所以在低輸入電壓下具有更好的性能,而且,這說(shuō)明了此設(shè)計(jì)可用于50%效率的0.2W電源中。

在85V AC到160V AC的電壓范圍內(nèi),滿負(fù)載效率大于80%。在265V AC的范圍內(nèi),滿負(fù)載效率則降到73%。對(duì)于這么小的電源,這樣的性能是十分優(yōu)秀的,這要?dú)w功于采用了準(zhǔn)諧振技術(shù)。在全部工作電壓范圍內(nèi),輸入電壓和負(fù)載調(diào)節(jié)率都小于1%。在室溫下測(cè)量的無(wú)散熱片設(shè)備的溫度上升為15度,一個(gè)1.2mH電感和220nF電容提供了足夠的濾波能力,滿足了標(biāo)準(zhǔn)的EMI規(guī)范要求。

 

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