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双管反激式拓扑：应对未来SMPS设计挑战的创新解决方案
发布时间:2016-02-22 阅读：次 [打印文章] [关闭窗口]摘要
开关电源(SMPS)设计人员面临着空间有限、满足国际能源标准以及需要提供易于设计的解决方案的挑战。综合考虑易于设计、不同负载下的功耗以及效率等因素，双开关管准谐振(QR)反激拓扑和次级同步整流是满足未来能源法规的理想方案，可提供优良的总体效率，在轻负载下保持较低功耗，同时易于设计。这里使用一个90W原型电源来验证所建议拓扑的有效性。
I. 介绍
由于对环境问题的关注持续增加，这些年来高效率、低待机功耗的电源设计一直引人注目。近年来，业界使用软开关和谐振转换拓扑来应对高效率的挑战。然而，未来的低功耗、低成本和易于设计及制造方面的要求给目前的谐振拓扑带来巨大挑战。本文旨在介绍新的双开关管准谐振反激式转换器拓扑的工作原理和优点，并且使用一个90W的电源设计进行演示。该电源满足高效率(> 90%)和小体积(60mm x 95 m共模电感器m x 16.5mm)的要求，同时满足2013 ErP的节能要求(0.25W负载条件下待机功耗<0.5W)。
根据双管反激拓扑的优势，它可能成为满足未来笔记本电脑适配器、LED电视电源、LED照明驱动器、一体型PC电源和大功率充电器要求的潜力巨大的解决方案。
A.功率电感 双管反激拓扑的特性
1. 高效率：
l DC到DC级：泄漏电感能量的再利用以及在接近ZVS工作
l PFC级：双电平PFC输出，改善低压输入效率
2. 无负载和轻负载效率：
l 节能：满足2013 ErP的节能要求：0.25W负载条件下待机功耗低于0.5W。
l 深度扩展的谷值开关(valley switching)带来出色的轻负载效率。
3. 功率开关电压钳位在VIN，并且能够使用小于500V的MOSFET。
4. 无缓冲电路和损耗，发热问题很少。
5. 可以使用薄型变压器和高频设计，适用于超薄型设计。
6. 易于设计和制造。
B.系统框图
图1 简化的系统框图
图中文字：AC输入、升压转换器、双管反激式转换器、同步整流器
图1所示为双管反激式拓扑的简化系统框图，主要包含三级：PFC级、PWM级以及同步整流(SR)级，该方案使用三个飞兆半导体IC来实现。
- FAN6920：临界导通模式 (CRM) PFC和准谐振PWM组合IC
- FAN7382：高侧驱动器IC
- FAN6204：同步整流控制器
下面介绍工作原理和解决方案的优势
在PFC级中使用CRM PFC来提高进入PWM级的输出电压。在小于200W的功率范围内，首选CRM PFC，因其具有零电流开关和零二极管反向恢复损耗的优点。此外，FAN6920具有两级PFC输出电平，这样可以在低AC输入期间使用更低的PFC输出电平，以提高低压输入效率。
在PWM级中有两个功率开关管来控制能量输送时间，它们的开/关定时顺序是一致的，控制信号由PFC/PWM组合控制器发出[1] [2]。还使用了两个能够钳位PWM开关管的最高额定电压的循环二极管，它还能够再利用泄漏电感能量，以提高系统效率。这样可以省去主缓冲器，简化电路并降低系统成本。此外，该级采用准谐振模式工作，能够保持PWM开关管在最小漏-源电压导通，这样可在PWM级减少大量的开关损耗。另一方面，这种拓扑具有更宽的输入电压(PFC输出电压)范围，因此，调整PFC输出电压有益于改善PFC级的效率。
在整流级使用一个整流二极管来传导和整流输出电流，然后生成一个至负载的直流输出电压。然而，整流二极管工字电感器正向导通时会产生正向电压降，该电压降造成了整流损耗并严重影响总体效率。为了进一步减小这种损耗以及由此而产生的发热问题，选择使用一种低导通阻抗(RDS-ON) MOSFET作为有源器件——同步整流器(SR)来完成整流。可以通过SR控制器(例如FAN6204 [3])来完成同步整流MOSFET的驱动和控制。
II. 双管反激拓扑—— 基本工作原理和设计要点
A. PFC级
如前所述，PFC级工作于临界导通模式，因而开关频率会随输出负载的变化而改变。在大负载下，贴片电感频率降低，而轻负载条件下频率变高。因此，PFC开关管的开关损耗成为整个系统的关键因素，尤其是在轻负载条件下。参看图2，当PFC开关管断开时，PFC开关管的漏极电压升高，该电压被钳位在PFC输出电压，直至升压电感器电流耗尽。
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