一种准谐振反激式控制器介绍

1 前言

　　电源适配器(Power adapter)是小型便携式电子设备及电子电器的供电电源变换设备，按其输出类型可分为交流输出型和直流输出型;按连接方式可分为插墙式和桌面式。广泛配套于电话子母机、游戏机、语言复读机、随身听、笔记本电脑、蜂窝电话等设备中。

　　表1显示了针对外部电源适配器的最新的EPA 2.0 Level V标准。该表重点介绍了平均能效和空载功耗以及轻载功耗。
 

　　表1针对外部电源适配器的EPA 2.0 Level V标准

　　为此，英飞凌针对绿色电源适配器解决方案开发出全新具备数字降频、主动突发模式和折返校正等特性QR PWM IC ICE2QS03G。

　　2 CCM DCM与QR工作模式对照

　　反激式转换器广泛应用于交流/直流电源，尤其适用于输出功率低于150W的电源。单开关反激式转换器具备三种基本工作模式：连续导通模式(CCM)、断续导通模式(DCM)和准谐振(QR)模式。这三种工作模式都具备各自的优缺点。

　　2.1 连续导通模式

　　图1a是典型的CCM工作波形。 转换器的输入功率是：

(1)

　　由于电感器存储的电能不完全转移到二次侧，因此在相同条件下，CCM工作模式所需的电感通常高于DCM工作模式所需的电感。此外，更高的电感意味着主侧开关电流具备较低的交流/直流转换率，因此获得更低的导通损耗。不过，随着原边电感值的升高，变压器的磁损耗也会增大，因此在开关导通损耗和变压器导通损耗之间需折衷考虑。

　　此外，在占空比大于0.5的条件下，为避免次谐波振荡，需要加入斜率补偿功能。由于高压输入下，导通时间较短，高压下的补偿值低于低压下的补偿值。这将使高压下的最大输出功率远远高于低压下的最大输出功率。实际上，采用CCM工作模式的SMPS IC针对某个具体的设计只具备一条补偿曲线。如果设计发生变化，最大功率限制性能也会随之变化。

　　2.2 断续导通模式

　　图1b是采用D CM工作模式的反激式转换器的典型工作波形。 该转换器的输入功率是：

(2)

　　如上所述，在MOSFET导通期间电感存储的电能在MOSFET关断期间完全转移至次侧。最大功率只与电感、开关频率和峰值电流有关。对于采用固定频率的设计，在不同输入电压条件下，很容易通过使最大峰值电流保持不变来限制系统的最大输入功率。

　　2.3 自由运行准谐振模式

　　图1c是 在QR工作模式下的典型工作波形。该转换器的输入功率是：

(3)

　　在变压器二次侧电流为零时，原边主电感和漏源及线路的寄生电容发生谐振，功率开关只在漏源电压的最低点开通。在这种条件下，开关频率由输出负载和输入电压决定。如果峰值电流限制保持不变，在高输入电压条件下，开关频率将大幅提高。这将导致在高压下很高的最大输入功率。

　　图1反激式转换器在不同工作模式下的典型工作波型

　　3 ICE2QS03G 特性

　　由于导通电压更低，未加限频的QR工作模式虽然具备较低的开通损耗。但是，在轻载条件下，开关频率很高，效率下降的很快。因此，在这些条件下，需要限制开关频率。英飞凌的数字降频(获得专利)概念由此被开发出来。

　　3.1 数字降频概念

　　对于QR工作模式而言，开关周期包括三个部分：导通时间(Ton)、关断时间(Toff)和半谐振周期(Tres)。根据变压器主侧电感器的伏特-秒平衡，Ton和Toff 可利用(4) 和 (5)等式计算，谐振周期利用(6)等式计算。在(6)等式中，Cds 为MOSFET的漏-源极等效电容。

(4)

(5)

(6)

　　这就解释了为什么当负载减小或输入电压升高的情况下，开关频率会提高。这是开关电源所不希望见到的，因为高开关频率会导致高开关损耗。为了限制开关频率，英飞凌开发出数字降频方法，确保不在第一个谐振谷点，而是在第二个、第三个、甚至在第七个谷点进行操作——这主要取决于负载条件。

　　事实上，ICE2QS03G的内部有一个寄存器，称为ZC计数器。该计数器可决定在哪个谷点打开MOSFET。通过监控反馈电压可调节寄存器的值。当负载电流变小时，可通过控制回路降低反馈电压，从而提高ZC计数器值，降低开关频率。当负载电流增大时，ZC计数器值将变小。表3详细介绍了ZC计数器的变化的工作原理，图2通过三个例子，说明ZC计数器如何随着反馈电压变化而变化。

　　由于采用可变ZC计数器和谷底开通，当输出负载降低时，转换器的实际开关频率会下降，如图3所示。

　　表3 ZC调节方法

　　图 2 数字降频

　　图注：Clock: 时钟;Up/Down counter: 上/下计数器; case1: 例1;Case 2 : 例2;Case 3: 例3

　　图 3 基本QR与英飞凌QR的开关频率对照

　　图注：Switching frequency: 开关频率;Active burst mode: 主动突发模式;Free-running QR: 自由运行QR;Output power: 输出功率3.2 主动突发模式(已获专利)

　　在轻载条件下，主要损耗是开关损耗和变压器磁损耗。两者都与开关频率有关。突发模式和跳周期模式是广泛采用的两种方法。通过采用突发模式和跳周期模式降低轻载开关频率，可大幅提高能效。

　　图4为主动突发模式的运行情况。要想进入突发模式，必须满足三个条件。第一，反馈电压必须低于预设的阈值VFBEB——设置进入突发模式的功率。第二，ZC上/下计数器的值必须等于7，确保转换器处于轻载条件。最后，屏蔽时间应为24毫秒，避免由于一些可能出现的瞬变引起的干扰。

　　若要退出突发模式，反馈电压应高于预设的阈值VFBLB。在主动突发模式运行过程中，当反馈电压高于V FBBOn时，IC将启动开关操作。当反馈电压低于VFBBOff时，IC将停止开关操作。

　　VFBBoff 为3.0V，VFBBOn 为3.6V。该电压阈值远高于传统突发模式的阈值，可节省IC和反馈回路光电耦合器的能耗。由于其具备较高的电压电平，因此具备出色的抗噪性能。相对于突发模式，这种运行更加稳定，从而实现更高的能效。

　　图4 主动突发模式运行：Enter bu rst: 进入突发模式;Burst On: 突发模式打开;Burst off: 突发模式关闭;Leave Burst: 退出突发模式，Current limit level during burst mode: 在突发模式运行过程中的电流限值水平

　　3.3 最大功率限制(带折返校正功能)

　　Pin 与 Ipk 和 fsw成比例， 而Ipk 受电流采样限值Vcs的限制。根据(4)等式，我们可以看到fsw 与Vin成比例。当线路电压升高时，转换器输入功率会变得很大。当线路电压升高时，需要限制电流采样水平，从而限制最大输入功率。对于ICE2QS03G而言，可通过ZC管脚输出的电流获得输入电压信息。这是因为，辅助绕组可感应与输入电压成比例的负电压。由于ZC管脚在内部被钳位到-0.3V，因此ZC管脚的输出电流与输入电压成比例，如等式(12)所示。通过调节Vcs值，可有效限制最大输入功率。图5为检测电路。该IC采用了数字比较电路。图6为最大Vcs限值VS输入电压(与Izc成正比)。

(12)

　　图 5折返校正检测

　　图注：Foldback point correction block: 折返校正块;Current limitation: 电流限制

　　图 6 Vcsmax VS 输入线路电压

　　3.4 损耗计算

　　表4为65W适配器在115V和 230V(交流)条件下的各种损耗分布情况

　　表 4 损耗分布

　　图注：Loss distribution: 损耗分布;Power: 功率; Loss name: 损耗名称

　　4 结论

　　本文对反激式转换器的结论是，无论在满负载、中等负载和轻负载条件下，具备数字降频特性的QR工作模式都可获得极高的能效。利用主动突发模式特性，可将在265V(交流)输入电压条件下的待机功耗限制在100mW以下。这使设计可轻而易举地满足相关标准要求，例如EPA2.0 Level V标准。