反激式準諧振開關電源設計方案

引言

我們經(jīng)常提到準諧振電源，那么究竟什么是準諧振開關電源呢？眾所周知，開關電源的損耗主要來自于開關管的開關過程，由于開關管不是理想的開關器件，開關過程不是瞬間完成的，存在一定的過渡時間，如圖1所示，傳統(tǒng)的方波開關電源在這個過渡轉(zhuǎn)換的時間里電壓和電流均為零，存在重疊的區(qū)域，因而會產(chǎn)生開關的損耗，隨著頻率的升高，這種損耗會逐漸加大而限制開關電源頻率的提高，同時由于在轉(zhuǎn)換過程中電壓和電流短時間內(nèi)的急劇變化，也會產(chǎn)生很大的開關噪聲，形成電磁干擾EMT。為克服方波開關電源的這一缺點，二十多年來人們一直致力于低功耗的軟開關電源技術的探索，在電路中加入小電感或電容元件，利用諧振的原理，使開關兩端的電壓或電流的變化呈正弦波的變化規(guī)律，基本的設想是想辦法使開關管能在電壓過零ZVS （ZeroVoltage Switching）或電流過零ZCS （Zero Current Switching）的時候完成開關轉(zhuǎn)換，以消除電壓和電流的重疊，實現(xiàn)消除或減小功耗的目的。

諧振電源（Resonant SwitchingPower）的開關損耗能夠降低，但電路相對復雜。在反激式開關電源中廣泛應用的是準諧振的模式。所謂反激式是指原邊主功率開關管與副邊整流管的開關狀態(tài)相反，開關管導通時，副邊的整流二極管截止，反激式變換器只是在原邊開關管導通時儲存能量，當它截止時才向負載釋放能量，故高頻變壓器在開關過程中，既起變壓隔離作用，又是電感儲能元件。反激式開關電源因電路簡潔，容易實現(xiàn)多路輸出而在彩電中得到廣泛應用。不同于諧振開關電源諧振過程主動參與整個能量變化的過程（振蕩波形為正弦波），準諧振模式是諧振只在整個電源能量變換的一個階段—開關轉(zhuǎn)換的時候完成（波形仍接近為方波），通過諧振使開關管在零電壓（或最小電壓）或者是零電流的時刻完成開關轉(zhuǎn)換，同時又保持方波開關電源的高能量傳輸模式，因此稱為準諧振（quasi-resanent ）QR。

一、反激準諧振電源的要點

下面我們來看看反激式準諧振開關電源

反激式開關電源

●反激式開關電源的最大特點是：

--電路簡單、EMI 低。

--因此，反激式開關電源在小功率和對EMI有要求的場合應用。

反激式開關電源效率相對最低原因

●開關管關斷損耗：

●開關管是在電流最大時關斷的，關斷過程承載著大電流和高電壓；

●變壓器的漏感相對大，由于變壓器漏感產(chǎn)生的直接、間接損耗在各種電路拓撲中最大；

●開關管的開通過程也存在開通損耗。

關斷損耗的減小或消除

●為了減小開關管的關斷損耗，可以在開關管的漏 -源極間并接電容器。這樣，在開關管關斷過程中，變壓器的電流就會從開關管轉(zhuǎn)移到電容器中。

●由于電容器的電壓不能躍變，因此在開關管關斷過程中，其漏 -源極電壓就是電容器的端電壓，按電容器充電規(guī)律變化，如果電容器的電壓上升速率明顯低于開關管的開關速度，則開關管可以在很低的漏 -源極電壓下關斷。

●電容器緩沖開關管漏-源極電壓上升,很顯然，開關管是在很低的電壓下關斷的，這樣就可以大大的減小開關管的關斷損耗。

開關管的開通損耗的減小或消除

●開關管的漏-源極并接電容器可以有效的減小開關管的關斷損耗，但是電容器上的電壓復位還像常規(guī)技術那樣用RCD 方式，開關管的關斷損耗的減小就會被 RCD 電路的復位損耗所抵消，甚至RCD 復位損耗明顯大于開關管的關斷損耗。

●因此要尋求一種電容器電壓的無損耗復位方式。

開關管的開通損耗的減小或消除2

●要使得電容器電壓復位并且無損耗，需要采用 LC 復位方式，如無源無損耗緩沖電路可以消除電容器復位損耗。

●實際上，無源無損耗緩沖電路也存在著一定的損耗，如復位電感的損耗，二極管的損耗，大概消耗掉整機效率的2~3% 甚至更高；

●如果這些損耗“消除 ”，那么，反激式開關電源的效率會有進一步的提高。

消除開通損耗的方法

●除此以外，開關管的漏-源極之間的寄生電容器以及線路中的寄生電容，在開關管開通時也會造成損耗。

●如何采用最簡化的電路獲得最好的效果？

基本方法：在開關管漏-源極電壓為零時開通 —零電壓開通，這在反激式電路拓撲中比較難以實現(xiàn)。如何采用最簡單的電路實現(xiàn)？

基本思路：在開關管漏-源極電壓為極小值時開通開關管，這時電容器上的電壓最低、儲能最低！

準諧振工作模式是最好的選擇

●準諧振工作模式可以在最簡單的電路拓撲下實現(xiàn)。

●開關管電壓波形

實現(xiàn)的關鍵

●開關管漏-源極電壓為極小值時開關管導通。

●這是一個變頻、變占空比的工作方式。

●如何調(diào)節(jié)輸出功率？同時還要滿足準諧振工作狀態(tài)？

可以在第一個漏-源極電壓谷底開通，也可以在第二個、第三個、第 n個漏 -源極電壓谷底開通。

谷底開通的波形

●重負載時開關管在第一個漏-源電壓的極小值處開通

●負載減輕后開關管在第二個漏-源電壓極小值處開通

●負載進一步減輕時開關管在第三個漏 -源電壓的極小值處開通

●負載更加減小時開關管在第七個漏 -源電壓的極小值處開通

空載狀態(tài)下的觸發(fā)模式

二、準諧振開關電源設計

●這是一種元件最少的電路拓撲

●可以基本消除開關管的關斷損耗

●選擇適當?shù)膮?shù)還可以減少開通損耗

●基本上消除了開關損耗

控制IC 的選擇

●準諧振控制IC在這里以NCP1207為例

DC/DC 準諧振變換器

●72V蓄電池電壓等級輸出12V/12.5A

電路結(jié)構

●準諧振反激式

●控制芯片：NCP1207

●輸出整流采用智能同步整流器，用分立元件控制

電路

主要元器件的選擇

●開關管：IXYS 的42A/250V 的MOSFET

●同步整流MOSFET MOSFET： IXYS 的230A/75V 的MOSFET

●由于是模塊，不能采用鋁電解電容器，輸入電源旁路電容器：多只 1812 封裝介質(zhì)材料為 X7R 的100V/2.2 2.2μF陶瓷貼片電容器；輸出整流濾波電容器采用多只 1206 封裝的10μF，介質(zhì)材料 ，X7R 的陶瓷貼片電容器；

●緩沖電容器：22nF 22nF/630V /630V，CBB13 聚丙烯電容器

變壓器參數(shù)

●磁芯：PQ35/35PQ35/35

●一次側(cè)繞組：多股15 匝

●二次測繞組：多股3匝

●去磁繞組：雙股0.20mm/3 匝

●氣隙：1.0mm

電路板圖

正常狀態(tài)的 VDS DS電壓波形

●輸入電壓60V 、輸出電流 1A

●輸入電壓60V 、輸出電流 5A

●輸入電壓70V 、輸出電流5A

●輸入電壓80V 、輸出電流5A

●輸入電壓90V 、輸出電流5A

●輸入電壓90V 、輸出電流10A

●輸入電壓90V 、輸出電流12.5A

測試結(jié)果分析

●在最大負載條件下的效率為87%

●主要損耗為變壓器漏感以及開關管關斷過程由于變壓器漏感所引起的附加損耗，如果這個損耗基本消除可以將效率提高 6% 或更高。

●這樣，準諧振加智能同步整流器的組合方式就可以獲得 92% 以上的 DC/DC 變換效率用NCP 控制準諧振開關電源時，開關頻率取決于變壓器的設計和緩沖電容器的參數(shù)。

●變壓器設定滿載最低輸入電壓時開關頻率為80kHz 80kHz，實際工作頻率僅為約 ，40kHz 。

●其原因是：

1. 變壓器設計的磁路氣隙的電感量大于設計值的 20% 20%，需要增加氣隙到 ，1.2mm 1.2mm；2.由于緩沖電容器選值過大（為了限制變壓器漏感造成的過大的尖峰電壓），電容器的諧振復位時間顯得太長，占據(jù)了比較大的占空比（近 15% 15%），導），致開關管的導通占空比減小。為了獲得足夠的輸出功率而不得不延長開關管的導通時間和輸出整流器的工作時間，這使得開關頻率明顯低于設計值。

雙機并聯(lián)

●雙機并聯(lián)或多機并聯(lián)可以提高輸出電流

空載、5A 、15A 、25A V VDS DS波形

故障波形

●如果試驗或?qū)嶋H運行時電路出現(xiàn)故障會怎樣？

首先看正常的啟動過程

●啟動過程看FB 端的電壓波形，在正常啟動過程， FB 端進會持續(xù)一個很短的高電平（4.2V 4.2V）狀態(tài)，啟動過程結(jié)束后 ）FB 端電壓下降到正常電壓值。

FB端電壓波形

如果啟動過程中FB 端持續(xù)高電位則意味著故障狀態(tài)

●主要是反饋開路以及輸出短路狀態(tài)

●反饋失效的FB 端電壓

●反饋失效CS 端波形

●反饋失效的VDS DS波形

●反饋失效后，去磁電路進入輸出過電壓保護狀態(tài) ,電路進入鎖定狀態(tài)。

●芯片鎖定，開關管鎖定（關斷狀態(tài)）開關管漏-源極電壓為一條直線（電源電壓）

●與此同時，輸出電壓將高于設定值

輸出端電壓

故障狀態(tài)分析

●由于NCP1207 內(nèi)部具有去磁電壓超限保護功能，因此當反饋環(huán)節(jié)開路時去磁電壓會超過保護限制值，從而關閉 NCP1207 的輸出，電路恢復工作需要再次上電。

●由于有了去磁電壓超限保護。因此，在電路設計合理的狀態(tài)下即使反饋開路也不會出現(xiàn)開關管漏 -源極電壓超過擊穿值的現(xiàn)象，因此電路是安全的。這對于反激式開關電源尤為重要。

●由于采用峰值電流型控制模式，即使在變壓器磁芯飽和（如反饋失效時）也會及時地關閉開關管，其反應速度取決于電流檢測電路的速度，選用電阻檢測電流的反應時間快于用電流互感器檢測電流的反應速度。

小結(jié)

通過對電壓相對比較低的DC/DC 準諧振電源電路的設計與調(diào)試，充分地了解了 NCP1207的正常與非正常中作狀態(tài)，清楚了出現(xiàn)問題時尋找故障所在的基本思路，為設計其他電壓等級的準諧振開關電源奠定堅實的基礎。