使用准谐振和谐振转换器提高设备电源的效率

更高的能源成本、环境问题和可持续性能源问题正在推动欧盟 (EU) 和其他各种监管机构专注于减少电子设备浪费的能源。交流输入电源是这种浪费能源的主要来源，无论是在重负载下还是在待机状态下。

直到最近，电源的效率标准还好于 80%。新举措正在推动效率达到 87% 及以上。此外，传统的满载效率测量已不再可接受。现在的标准是在额定负载的 25、50、75 和 100 倍时测量效率并确定平均值。同样，最大允许待机功率水平也在收紧。欧盟建议所有设备的待机功率水平低于 500 mW，电视的待机功率水平低于 200 mW。

在特殊高效电源设计领域之外，用于 1 至 500 瓦应用的典型交流输入电源使用“硬开关”反激式和双开关正激拓扑。但它们正被准谐振反激式、LLC 谐振转换器和不对称半桥拓扑所取代。在本文中，我们将讨论准谐振和谐振操作之间的区别，以及它们的最佳应用。

基本原理

准谐振和谐振拓扑都通过降低电路中的开启开关损耗来发挥作用。图 1 显示了在连续导通模式 (CCM) 下工作的反激、准谐振反激和 LLC 谐振转换器的开启开关波形差异。

CCM 反激式转换器的开关损耗最高。对于宽范围输入电压设计，V DS 约为 500 至 600 伏，即输入电压V DC 和反射输出电压V RO 之和。当转换器在非连续导通模式 (DCM) 下运行时，开关损耗的第一项下降到零，因为漏极电流下降到零。我们可以通过打开电压波形中的第一个(或以后)最小值来进一步降低准谐振转换器的损耗。图中虚线表示准谐振变换器在第一个谷底开启时的漏极波形。

如果准谐振反激式转换器的匝数比为 20，输出电压为 5 伏，则V RO 将为 100 伏。因此，对于 375 伏的总线电压，开关将在 275 伏时打开。如果有效输出电容C OSSeff 为 73 pF，开关频率f SW 为 66 kHz，则功率损耗为 0.18 瓦。。对于标准 CCM 反激式转换器，开关不同步，并且漏极电压振铃。在最坏的情况下，漏极电压高于V DC 。功率损耗为，

由此产生的损耗为 0.54 瓦。因此，对于非连续模式反激式转换器，功率损耗在 0.18 到 0.54 瓦之间波动，具体取决于时序。影响时序的因素是输入电压和输出电流，有利的因素会带来更高的效率。这通常被视为不连续模式反激转换器的满载效率曲线的异常变化。这里输入电压随着恒定的输出电流(和电压)而变化。当我们沿着切换点移动时，效率曲线将显示波动。不同批次初级电感的变化也会表现出变化，因此效率也会不同。

谐振转换

器 另一方面，谐振转换器使用不同的技术来降低开关损耗。回到开启损耗方程(方程 1)，如果V DS 设置为零，则根本没有损耗。这一原理被称为零电压开关 (ZVS)。它用于谐振转换器，特别是 LLC 谐振转换器，如图 1 所示。

零电压开关是通过迫使流过开关的电流反向来实现的。当开关电流反向时，体(或外部反并联)二极管将电压钳位到一个低值(例如，1 伏)。这远低于前面提到的典型反激式转换器的 400 伏。

实现这一目标需要一个谐振电路。两个 MOSFET 产生方波并将其应用于谐振电路。如果我们选择高于谐振的工作点，则流入谐振电路的电流将近似为正弦波，因为高阶分量通常被很好地衰减。正弦电流波形滞后于电压波形。因此当电压波形达到其零交叉点时，电流仍然为负，允许零电压开关。

基本拓扑

下面介绍准谐振和 LLC 谐振转换器的电路图和框图。准谐振转换器电路图看起来与反激式转换器非常相似，只是有一个检测电路来帮助确定电压最小值的时序。

LLC 谐振转换器(因谐振电路中的三个组件而得名：变压器的磁化电感L m ;变压器的漏感L lk ;以及谐振电容C r )，与双开关正激转换器有很大不同。所需的大漏感意味着变压器以增加其正常漏感的方式缠绕，或者设计人员添加电感器。LLC 在初级侧具有半桥结构，但与双开关正激转换器不同，那里不需要任何二极管。并且在双开关正激变换器中没有使用谐振电容器。有两个输出二极管连接到中心抽头变压器的输出端。这些将谐振电路的交流输出整流为直流电压。不需要大输出电感器，这是双开关正激应用所必需的。

对于给定的输出功率，准谐振反激式变压器的尺寸最大，因为转换器在将其传输到次级侧之前将所有能量存储在初级侧。双开关正激转换器的情况并非如此，它在开关打开时将能量从初级侧传输到次级侧。与反激式转换器一样，双开关正激式转换器仅使用一个磁极。LLC 转换器同时使用两者，因此在所有条件相同的情况下，对于给定的功率水平，它通常更小。

频率和增益

准谐振和 LLC 谐振开关的好处包括降低导通损耗。缺点是频率随着负载的减少而增加。两个转换器的关断损耗随着频率的增加而变得更糟，其中t OFF 是关断时间。这会降低负载较轻时的效率。例如，Fairchild 的 FSQ0165RN 准谐振 FPS 电源开关使用特殊的频率钳位电路来抵消这个固有的缺点。控制器等待与最大频率对应的最短时间，然后开启下一个可用的最小值。

LLC 谐振转换器的另一个限制是其增益的动态范围非常有限。在较高的谐振频率(在这种情况下为 100 kHz)，频率不会随着负载的变化而变化。但是，增益的动态范围很低，介于 1.0 和 1.4 之间。如果 1.2 代表具有 220 VAC 输入的系统增益以实现所需的输出电压，则动态范围将允许 189 至 264 VAC 的输入电压范围。因此，用这种拓扑结构不容易实现通用输入操作。但是，通过精心设计以允许保持时间条件，典型的欧洲电源是可能的。

增益的动态范围可以通过增加相对于励磁电感的漏电感来改善。权衡是由于较高的磁化电流而降低了轻负载效率。在实践中，我们使用第二个电感器来增加漏感;如果漏感太大，获得可重复的漏磁电感比存在实际限制。

应用

准谐振反激和 LLC 谐振转换器越来越多地用于嵌入式交流输入电源。准谐振转换器的实际工作范围从几瓦到大约 100 瓦。满载效率范围从集成解决方案的 7 瓦、12 伏电源的 81% 左右，到使用带有外部 MOSFET 的准谐振控制器的 70 瓦、22 伏电源的 88% 以上。低功耗示例的待机功耗远低于 150 mW;更高功率示例的待机功率小于 350 mW。使用较低的输出电压会迅速将效率降低到此水平以下。一个 5 瓦、5 伏的电源将在输出二极管中浪费至少 10% 的额定输出功率。

准谐振拓扑的另一个好处是 EMI 远低于硬开关应用。频率自然会随着 400 伏输入电容上的纹波而变化，并且会出现频谱扩展。此外，由于在较低电压下进行开关，共模 EMI 噪声降低，从而降低了开关噪声。

LLC 谐振转换器的实际工作范围约为 70 至 500 瓦左右。带有 PFC 前端的 FSFR2100 已用于实现 200 瓦至 420 瓦的电源。对于高达 200 瓦的应用，通常不需要散热器(在 FSFR2100 上)。通常建议在输出端使用肖特基二极管，这些二极管通常需要散热器。

同步整流方法可用于消除对散热器的需求。然而，MOSFET 的控制信号不容易产生。使用肖特基二极管的应用的典型峰值效率在 90 年代中期到 90 年代中期，具体取决于输入电压、输出电压和输出功率。