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