双管反激开关电源解决方案实现高效率和低待机功耗

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 高效率和低待机功耗是现今开关电源设计的两大难题,由于谐振拓扑或LLC拓扑能够满足高效率的要求,因而日益流行。然而在这种拓朴中,前PFC级必须在轻负载期间保持运作,造成谐振回路中存在内循环损耗,待机功耗成为一个头疼问题。对于没有附加辅助电源的应用,LLC谐振拓扑难以满足2013 ErP等新法规,在0.25W负载下输入功率低于0.5W的要求。双管反激式拓朴是能够应对效率和待机功耗两大挑战的解决方案,适用于75W~200W范围的电源。它提供了与LLC谐振解决方案相当的效率,还有大幅改良的待机功率性能。双管反激式拓朴能够成为颇具吸引力的解决方案,可替代复杂的LLC谐振转换器,用于笔记本电脑适配器、LED-TV电源、LED照明驱动器、一体型电脑电源和大功率充电器应用。

设计开关电源的挑战

现代设计开关电源的挑战大致分为五个部分。

•低待机功耗

•高效率

•高功率密度

•高可靠性

•低成本

用于75W~200W应用的理想解决方案,现有的单反激式转换器解决方案为目前最普遍的解决方案之一,有低待机功耗、低成本和易于设计等优点而被大量使用,但对于未来更高它不能解决所有设计挑战。现有的单反激式转换器解决方案面临着很多困难,难以达到> 90%的低效率问题、低功率密度、过高的MOSFET漏源电压和缓冲器损耗和发热问题都不利于高可性的要求,而且限制功率范围必须为150W以内。

为了提高效率和功率密度,可零电压切换的LLC转换器解决方案被逐渐使用,但这也不能解决所有设计挑战,例如,无辅助电源便不能满足2013 ErP Lot 6要求 (<0.5W@0.25W),还有在设计和生产过程中,对于变压器容差和栅极驱动时限敏感的问题。

双管反激解决方案 (75~200W)

双管反激解决方案分为三个部分,分别是FAN6920: BCM PFC + QR 组合;FAN7382: H/L 驱动器;FAN6204: SR控制器,如图1所示。

图1 飞兆半导体双管反击解决方案

 

双管反激主要特点

双管QR反激转换器主要特点分为四个方面,它在低待机功耗、高效率、易于设计和低EMI方面有显著的优势。

在低待机功耗方面,双管QR反激转换器能完全满足2013 ErP Lot 6要求。在PIN<0.5W @230Vac; PO=0.25W;PIN<0.25W@ 230Vac(无负载时)。

在高效率方面,双管QR反激转换器的特点表现在漏电感能量可以回收至输入,且无需有损耗的缓冲器;500V MOSFET可以用在初级端;初级端采用谷底开关以降低开关损耗;减小次级端整流器的电压应力;可使用可变PFC输出电压技术以提高整个系统的低压线路效率。

双管QR反激转换器具有易于设计的特点,它与熟知的传统反激式转换器设计相同,并且可以简便地实现变压器批量生产。它可以使用超低侧高变压器,无需考虑泄漏电感。

在EMI方面,双管QR反激转换器具有低EMI,漏极过冲电压被箝制在输入电压上;谷底开关等特点。

双管反激基本工作原理

双管反激与单管反激的基本原理相似,只是多了一个阶段2。阶段1、3、4与零谐振单管反激的工作原理相同。阶段1: Q1和Q2同时导通,变压器的电感电流将会线性增加并将能量储存于变压器中;当2个MOS管关闭时候就进入阶段2;阶段2:因为漏感所形成的高漏源电压会导致2个回收二极体导通,Q1和Q2截止,D1,D2导通;当漏感能量回收完毕,进入阶段3;阶段 3和4: Q1和Q2 截止,D1和D2截止。

双管反激的好处

双管反激的好处之一就是减少能量损耗。无缓冲器损耗和发热问题,漏电感能量可回收在大容量电容器中。

双管反激拓扑的好处之二是高可靠性和低开关损耗。由于低MOSFET漏源电压得到良好的可靠性,允许大匝数比(n)设计实现近似于ZVS开关的低开关损耗。

双管反激拓扑的好处之三是减小次级端传导损耗。SR MOSFET的VDS为:VIN/n+VOUT,大匝数比n对于SR MOSFET的好处是大n意味着较低的VDS,即较低MOSFET Ron,这样就得到了较低价格,降低了成本得到了较高的效率。举例说明,当VIN = 420V,Vo=12V,n= 12,那么,VDS=420V/12 +12V=47V,则可以选择60V或75V SR MOSFET。

双管反激拓扑的好处之四是可以提高低压线路效率。两级PFC输出以提高低压线路效率。

双管反激拓扑的好处之五是提高轻负载效率。深度扩展谷底开关(最多第12个谷底周期)允许轻负载下的低工作频率。

双管反激拓扑的好处之六是实现低待机功耗。双管反激拓扑无缓冲器损耗和发热问题,漏电感能量可回收在大容量电容器中。

双管QR反激与单开关反激比较

单开关对比双管QR反激转换器如图3所示,左边为单开关QR反激,右边为双开关QR反激。

图2 双管反激基本工作原理

图3 单开关对比双管QR反激转换器

 

单开关QR反激具体特性有:

•需要RCD缓冲器以

耗散漏电感能量

•需要高压MOSFET

(700~800V)

•需要较高压SR MOSFET (>100V for

12V Vo)

•较低的匝数比

双开关QR反激具体特性有:

•漏电感能量可回收到输入

•若反射输出电压(VO×Np/Ns)大于

输入电压,能量不会传送到输出(不

允许ZVS)

•可使用500V MOSFET

•可使用<75V SR MOSFET(for 12V

Vo)

•较高的匝数比

双管QR反激对比LLC谐振转换器

双管QR反激与LLC谐振转换器如图4所示,左边为双管QR反激,右边为LLC谐振转换器等特点。

图4 双管QR反激对比LLC谐振转换器

 

双管QR反激具体特性有:

•初级端电流随负载减少而减少

•近似于ZVS运作(谷底开关)

•变压器设计简单,与传统反激式转换器一样

•无直通问题

LLC谐振转换器具体特性有:

•即使在轻负载条件下初级端也有大环

流电流(高待机功耗)

•完全的ZVS运作

•复杂的变压器设计

•固有的直通(shoot through)问题

双管反激与LLC谐振转换器在19V/90W输出的演示版上的效率比较,可以看出LLC在高压输入即重载时的表现非常好,但是在低压输入即轻载时的表现相对较弱。总的来说,双管反激的平均效率较好,因为它的轻载效率比LLC谐振转换器大幅提升在低电压输入时也有部输于LLC谐振转换器的效率表现。

表1 双管反激与LLC谐振转换器特性比较

 

19V/90W输出的适配器,这个适配器高16.5mm,长95mm,宽60mm,在这么一个薄小的设计却能达到较好的效率,如表2所示。130W/19V一体机PC电源效率如表3所示。130W/19V一体机PC电源效率如表3所示。200W/19V 一体机PC电源效率如表4所示。

表2 19V/90W输出的适配器效率表现

表3 130W/19V一体机PC电源效率

表4 200W/19V一体机PC电源效率

 

 

目标应用

双管反激适用于75W ~200W功率范围。

•一体型(AIO)PC电源

• LED TV

•笔记本电脑适配器

•游戏机

• LED照明

•要求高效率和低待机功耗的单输出应用

总而言之,双管反激可说是吸取了单管反激低待机功耗的优点和LLC谐振转换器高效能的优点,达到了高效率低待机和低功耗。

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