- 準共振轉換器概述
- 準共振轉換器工作
- 控制器選擇
- 重要的設計注意事項
與返馳式 DC/DC 轉換器拓撲相比，準共振設計不僅能提供高能效，而且生成的電磁干擾 (EMI) 也較低，使得它特別適合噪音敏感的應用，例如電視機或音頻設備。然而，實施工作變得更加龐大，令工程師感到恐懼，這往往使工程師推遲探索上述這些好處。在這篇文章中，F(xiàn)uture Electronics（波蘭）的技術經(jīng)理 Piotr Pupar 介紹如何輕松設計準共振轉換器，它幾乎與流行的返馳式轉換器一樣容易。
準共振轉換器概述
在電源轉換器中實施共振電路的目的是為了改進半導體開關的換向過程。事實上，在添加共振電路后，您能夠進行零電壓和零電流開關，與基本的硬交換返馳式轉換器等傳統(tǒng)SMPS 拓撲相比，整體系統(tǒng)效率都有了提升。典型的準共振轉換器能夠實現(xiàn)大約 83％-87％ 的效率。此外，共振轉換器產(chǎn)生的 EMI 比硬交換轉換器產(chǎn)生的 EMI 少。
另一個重要的好處是：在發(fā)生短路時，其固有的安全性很高。這是因為，在完全除去變壓器的磁性之前，MOSFET 的傳導周期將被抑制，它意味著變壓器飽和不可能發(fā)生。同時，因為準共振轉換器產(chǎn)生功率的方式與傳統(tǒng)轉換器的方式相同，所以先前實施了傳統(tǒng)返馳式轉換器的設計人員完全有能力實施準共振轉換器。幾乎不需要任何額外的知識。
然而，應當指出，準共振技術也有一些缺點。對于在非連續(xù)導通模式下工作的系統(tǒng)，一般來說，通過電感器的電流在換向周期結束時會下降到零，峰值電流和 RMS 值會相對較高。這導致 MOSFET 中較高的傳導損耗和變壓器中較大的高頻損耗。因此，對于寬范圍電源應用，在低于 150W 的功率級別可獲得準共振電路的最好結果；對于歐洲電源電壓范圍，則在低于 200W 的功率級別可獲得最好結果。
準共振轉換器的另一個不太理想的特性是，當負載下降時，交換頻率上升。在極端情況下，因為 MOSFET 中的功率損耗在高交換頻率時會大大增加，因此這種現(xiàn)象可能會消除軟交換的優(yōu)勢。這就需要 PWM 控制器實施頻率鉗位，防止頻率超過已定義的最大級別。
最后，準共振轉換器通常需要具有 800V 漏極至源極電壓 (VDS) 的 MOSFET，該電壓高于在相同條件下工作的標準返馳式控制器的電壓，對于標準返馳式控制器來說，通常 600V 就足夠了。此類 800V 設備一般要比 600V 同等設備昂貴，并且通常無法作為控制器集成到同一個封裝中。
準共振轉換器工作
與共振電路在轉換過程中發(fā)揮積極作用的共振拓撲不同，準共振拓撲僅實施軟換向過程。圖 1 中顯示準共振返馳式轉換器的簡化圖表。這種拓撲與常規(guī)方波 PWM 返馳式轉換器具有明確的相似之處，其中 MOSFET 輸出電容器 (Coss) 表示漏極節(jié)點的總電容。
圖 2 顯示準共振返馳式轉換器的典型波形。如果二極管電流在 MOSFET 關閉后達到零，則 MOSFET VDS 會由于原邊電感器 (Lm) 與 MOSFET 輸出電容器 Coss 之間的共振而開始振蕩。在 VDS 達到其最小值時（因漏極與源極之間的電容負載，降低 MOSFET 導通開關損耗），通過開啟 MOSFET 來實現(xiàn)準共振交換。設計變壓器匝數(shù)比 Np/Ns，以便共振振幅大于 VIN，從而使零電壓開關 MOSFET 能夠實現(xiàn)。
控制器選擇
準共振返馳式轉換器的 PWM 控制器來源于硬交換返馳式轉換器的控制器，但添加了某些特點；從根本上說，它必須能夠檢測到谷值何時達到其最低點，然后開啟 MOSFET；傳統(tǒng)硬交換返馳式轉換器不需要此能力。原則上，能夠檢測 VDS 負值的任何 PWM 控制器均可用于控制準共振轉換器。Fairchild Semiconductor、STMicroelectronics 和 ON Semiconductor 等半導體制造商提供綜合解決方案，成功解決準共振技術面臨的挑戰(zhàn)；STMicroelectronics 的 L6566A等也支持傳統(tǒng)返馳式轉換器模式。
適用于準共振轉換器的控制器包括：
? 出自 Fairchild Semiconductor 的 FAN6921
? 出自 ON Semiconductor 的 NCP1380
? 出自 STMicroelectronics 的 L6566A/B/BH
? 出自 STMicroelectronics 的 ALTAIR05T-800
來自 Fairchild 的應用說明 6921 和 4150、來自 ON Semiconductor 的 AND8431/D 以及來自 STMicroelectronics 的 AN1326 提供了大量的信息，以幫助設計人員實施準共振轉換。
重要的設計注意事項
首次進行準共振轉換器設計之前，在前面所述的應用說明的幫助下，了解將面臨的主要問題是一件非常值得的事情。正如討論的那樣，可靠檢測 MOSFET 電壓谷值是準共振轉換器操作中的要素。某些 PWM 轉換器實施此功能要比其他轉換器做得更好，因此在評價競爭對手的設備時，務必留意這一點。例如，圖 3 顯示使用 Fairchild FAN6921 PWM 控制器的谷值檢測電路的典型應用。通過監(jiān)視流出谷值檢測針 (DET) 的電流來檢測MOSFET的電壓谷值；當流出檢測針的電流超過30μA 時，將觸發(fā)該電路。這是特別有吸引力的解決方案，因為它只需要一個變壓器輔助線圈和兩個電阻。
PWM 控制器的第二個重要特性是頻率處理限制在減少的負載。風險在于，當開關頻率接近上限時，會發(fā)生谷值跳轉，并且控制器在兩個谷值之間振蕩，導致操作不穩(wěn)定和中低輸出時發(fā)出噪音。出于此原因，先進的準共振控制器采用谷值鎖定電路。在這里，當負載下降時，將通過更改谷值，逐步降低開關頻率。一旦控制器選擇某個谷值，它將鎖定這個谷值，直到輸出功率發(fā)生極大變化為止。這是使準共振操作延伸到輕負載且頻率穩(wěn)定性不會下降的成功技術。ON Semiconductor 的 NCP1380 提供此技術的良好示例。該控制器調(diào)低到第四個谷值工作，并在此后切換到變頻模式，從而確保優(yōu)秀的待機功率性能。
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最后一個要注意的特點是集成的 PFC 控制。設計適當?shù)臏使舱褶D換器應實現(xiàn)超過 80% 的效率，增加 PFC 控制電路可以進一步提高此效率。Fairchild 的 FAN6921 具有集成的 PFC 控制器。另外，STMicroelectronics L6566A 提供 PFC 前端，它與 L6563 等外部 PFC 控制器配合工作。ON Semiconductor 的 NCP1381/82 準共振控制器在低負載條件下可以自動斷開 PFC 控制器。此功能使設計人員能夠擴大準共振轉換器的效率優(yōu)勢，同時降低待機功耗。
