引言

我們經(jīng)常提到準(zhǔn)諧振電源，那么究竟什么是準(zhǔn)諧振開關(guān)電源呢？眾所周知，開關(guān)電源的損耗主要來自于開關(guān)管的開關(guān)過程，由于開關(guān)管不是理想的開關(guān)器件，開關(guān)過程不是瞬間完成的，存在一定的過渡時(shí)間，如圖1所示，傳統(tǒng)的方波開關(guān)電源在這個(gè)過渡轉(zhuǎn)換的時(shí)間里電壓和電流均為零，存在重疊的區(qū)域，因而會(huì)產(chǎn)生開關(guān)的損耗，隨著頻率的升高，這種損耗會(huì)逐漸加大而限制開關(guān)電源頻率的提高，同時(shí)由于在轉(zhuǎn)換過程中電壓和電流短時(shí)間內(nèi)的急劇變化，也會(huì)產(chǎn)生很大的開關(guān)噪聲，形成電磁干擾EMT。為克服方波開關(guān)電源的這一缺點(diǎn)，二十多年來人們一直致力于低功耗的軟開關(guān)電源技術(shù)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(guān)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(shè)想是想辦法使開關(guān)管能在電壓過零ZVS （ZeroVoltage Switching）或電流過零ZCS （Zero Current Switching）的時(shí)候完成開關(guān)轉(zhuǎn)換，以消除電壓和電流的重疊，實(shí)現(xiàn)消除或減小功耗的目的。

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

一、反激準(zhǔn)諧振電源的要點(diǎn)

下面我們來看看反激式準(zhǔn)諧振開關(guān)電源

反激式開關(guān)電源

●反激式開關(guān)電源的最大特點(diǎn)是：

--電路簡(jiǎn)單、EMI 低。

--因此，反激式開關(guān)電源在小功率和對(duì)EMI有要求的場(chǎng)合應(yīng)用。

反激式開關(guān)電源效率相對(duì)最低原因

●開關(guān)管關(guān)斷損耗：

●開關(guān)管是在電流最大時(shí)關(guān)斷的，關(guān)斷過程承載著大電流和高電壓；

●變壓器的漏感相對(duì)大，由于變壓器漏感產(chǎn)生的直接、間接損耗在各種電路拓?fù)渲凶畲螅?/p>

●開關(guān)管的開通過程也存在開通損耗。

關(guān)斷損耗的減小或消除

●為了減小開關(guān)管的關(guān)斷損耗，可以在開關(guān)管的漏 -源極間并接電容器。這樣，在開關(guān)管關(guān)斷過程中，變壓器的電流就會(huì)從開關(guān)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(guān)管關(guān)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(guān)管的開關(guān)速度，則開關(guān)管可以在很低的漏 -源極電壓下關(guān)斷。

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

開關(guān)管的開通損耗的減小或消除

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

●因此要尋求一種電容器電壓的無損耗復(fù)位方式。

開關(guān)管的開通損耗的減小或消除2

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

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

●如果這些損耗“消除 ”，那么，反激式開關(guān)電源的效率會(huì)有進(jìn)一步的提高。

消除開通損耗的方法

●除此以外，開關(guān)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(guān)管開通時(shí)也會(huì)造成損耗。

●如何采用最簡(jiǎn)化的電路獲得最好的效果？

基本方法：在開關(guān)管漏-源極電壓為零時(shí)開通 —零電壓開通，這在反激式電路拓?fù)渲斜容^難以實(shí)現(xiàn)。如何采用最簡(jiǎn)單的電路實(shí)現(xiàn)？

基本思路：在開關(guān)管漏-源極電壓為極小值時(shí)開通開關(guān)管，這時(shí)電容器上的電壓最低、儲(chǔ)能最低！

準(zhǔn)諧振工作模式是最好的選擇

●準(zhǔn)諧振工作模式可以在最簡(jiǎn)單的電路拓?fù)湎聦?shí)現(xiàn)。

●開關(guān)管電壓波形

實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵

●開關(guān)管漏-源極電壓為極小值時(shí)開關(guān)管導(dǎo)通。

●這是一個(gè)變頻、變占空比的工作方式。

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

可以在第一個(gè)漏-源極電壓谷底開通，也可以在第二個(gè)、第三個(gè)、第 n個(gè)漏 -源極電壓谷底開通。

谷底開通的波形

●重負(fù)載時(shí)開關(guān)管在第一個(gè)漏-源電壓的極小值處開通

●負(fù)載減輕后開關(guān)管在第二個(gè)漏-源電壓極小值處開通

●負(fù)載進(jìn)一步減輕時(shí)開關(guān)管在第三個(gè)漏 -源電壓的極小值處開通

●負(fù)載更加減小時(shí)開關(guān)管在第七個(gè)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(zhǔn)諧振開關(guān)電源設(shè)計(jì)

●這是一種元件最少的電路拓?fù)?/p>

●可以基本消除開關(guān)管的關(guān)斷損耗

●選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)還可以減少開通損耗

●基本上消除了開關(guān)損耗

控制IC 的選擇

●準(zhǔn)諧振控制IC在這里以NCP1207為例

DC/DC 準(zhǔn)諧振變換器

●72V蓄電池電壓等級(jí)輸出12V/12.5A

電路結(jié)構(gòu)

●準(zhǔn)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(guān)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(cè)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(cè)試結(jié)果分析

●在最大負(fù)載條件下的效率為87%

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

●這樣，準(zhǔn)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(zhǔn)諧振開關(guān)電源時(shí)，開關(guān)頻率取決于變壓器的設(shè)計(jì)和緩沖電容器的參數(shù)。

●變壓器設(shè)定滿載最低輸入電壓時(shí)開關(guān)頻率為80kHz 80kHz，實(shí)際工作頻率僅為約 ，40kHz 。

●其原因是：

1. 變壓器設(shè)計(jì)的磁路氣隙的電感量大于設(shè)計(jì)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(fù)位時(shí)間顯得太長(zhǎng)，占據(jù)了比較大的占空比（近 15% 15%），導(dǎo)），致開關(guān)管的導(dǎo)通占空比減小。為了獲得足夠的輸出功率而不得不延長(zhǎng)開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間和輸出整流器的工作時(shí)間，這使得開關(guān)頻率明顯低于設(shè)計(jì)值。

雙機(jī)并聯(lián)

●雙機(jī)并聯(lián)或多機(jī)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(yàn)或?qū)嶋H運(yùn)行時(shí)電路出現(xiàn)故障會(huì)怎樣？

首先看正常的啟動(dòng)過程

●啟動(dòng)過程看FB 端的電壓波形，在正常啟動(dòng)過程， FB 端進(jìn)會(huì)持續(xù)一個(gè)很短的高電平（4.2V 4.2V）狀態(tài)，啟動(dòng)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(dòng)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(jìn)入輸出過電壓保護(hù)狀態(tài) ,電路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。

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

●與此同時(shí)，輸出電壓將高于設(shè)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(hù)功能，因此當(dāng)反饋環(huán)節(jié)開路時(shí)去磁電壓會(huì)超過保護(hù)限制值，從而關(guān)閉 NCP1207 的輸出，電路恢復(fù)工作需要再次上電。

●由于有了去磁電壓超限保護(hù)。因此，在電路設(shè)計(jì)合理的狀態(tài)下即使反饋開路也不會(huì)出現(xiàn)開關(guān)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(duì)于反激式開關(guān)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(shí)）也會(huì)及時(shí)地關(guān)閉開關(guān)管，其反應(yīng)速度取決于電流檢測(cè)電路的速度，選用電阻檢測(cè)電流的反應(yīng)時(shí)間快于用電流互感器檢測(cè)電流的反應(yīng)速度。

小結(jié)

通過對(duì)電壓相對(duì)比較低的DC/DC 準(zhǔn)諧振電源電路的設(shè)計(jì)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(shí)尋找故障所在的基本思路，為設(shè)計(jì)其他電壓等級(jí)的準(zhǔn)諧振開關(guān)電源奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。