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飞兆案例:准谐振和谐振转换-两种提高电源效率的技术
全球对能源成本上涨、环保和能源可持续性的关注正在推动欧盟、美国加州等地的相关机构相继推出降低电子设备能耗的规范。交流输入电源,不论是独立式的还是集成在电子设备中的,都会造成一定的能源浪费。首先,电源的效率不可能是100% 的,部分能量在电源大负载工作时被浪费掉。其次,当负载未被使用时,连接交流线的电源会以待机功耗的形式消耗能量。
近年来,对电源效率等级的要求日趋严格。最近,80% 以上的效率已成为了基本标准。新倡议的能效标准更是要求效率达到87%及以上。此外,只在满负载下测量效率的老办法已被淘汰。目前的新标准涉及了额定负载的25%、50%、75% 和 100% 这四个点的四点平均水平。同样地,最大允许待机功耗也越来越受到限制,欧盟提议所有设备的待机功耗均应低于500mW,对于我们将讨论的电视机,则小于200mW。
除专家级的高效率电源设计领域之外,电子设备中所用的功率范围从1W 到 500W的交流输入电源,一直以来主要采用两种拓扑:标准(或硬开关) 反激式(flyback) 拓扑,和双开关正激拓扑。这两种拓扑都很易于理解,而它们存在的问题,以及如何予以避免,业界都已有充分的认识。
不过,随着对效率的要求不断提高,这两种拓扑将逐渐为三种新的拓扑所取代:准谐振反激式拓扑、LLC谐振转换器拓扑和不对称半桥拓扑。准谐振反激式拓扑已被成功用于最低功率级到200W以上的范围。在70W-100W范围,LLC谐振转换器比准谐振反激式拓扑更有效。而在这两个功率级之上,不对称半桥转换器也很有效。
工作原理:
准谐振和谐振拓扑都能够降低电路中的导通开关损耗。图1对比了连续传导模式(CCM) 反激式、准谐振反激式和 LLC 谐振转换器的导通开关波形。
所有情况下的开关损耗都由下式表示:
这里,PTurnOnLoss 为开关损耗;ID 为漏极电流;VDS 是开关上的电压;COSSeff 是等效输出电容值(包括杂散电容效应);tON 是导通时间,而fSW 是开关频率。
a)  CCM反激式转换器        b) 准谐振反激式转换器             c)LLC谐振转换器
图1   CCM反激式、准谐振反激式和LLC谐振转换器的开关波形比较
CCM反激式转换器的开关损耗最高。对于输入电压范围很宽的设计,VDS 在500V – 600V左右,是输入电压VDC 与反射输出电压 VRO 之和。进入不连续传导模式(DCM) 时,漏电流降为零,开关损耗的第一项也随之降为零。在准谐振转换器中,若在电压波形的第一个(或后一个) 波谷时导通,可进一步降低损耗。图中虚线所示为准谐振转换器在第一个谷底导通时的漏极波形。
如果准谐振反激式转换器的匝数比为 20,输出电压为5V,则 VRO 等于 100V,因此对于 375V 的总线电压,开关将在 275V 时导通。若有效输出电容 COSSeff 为73 pF,开关频率 fSW 为 66 kHz,:
M反激式转换器,开关与漏极电压振铃不同步。在最坏的情况下,漏极电压大于VDC
。故对于非连续模式反激式转换器, 和 ,具体取决于时序。影响时序的因素有输入电压和输出电流,两者的优化组合可提高效率,