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准谐振反激式电源设计之探讨

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标签: 电源

电源

准谐振反激式电源设计之探讨

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准谐振反激式电源设计之探讨
电子设计应用/Carl
Walding
½成本和高可靠性是离线电源设计中两个最重要的目标。准谐振
(Quasi resonant)
计为设计人员提供了可行的方法,以实现这两个目标。准谐振技术降½了
MOSFET
的开关
损耗,从而提高可靠性。此外,更½的开关改善了电源的
EMI
特性,允许设计人员减少½
用滤波器的数目,因而降½成本。本文将描述准谐振架构背后的理论及其实½,并说明这类
反激式电源的½用价值。
基本知识
“准”(quasi)是指有点或部分的意思。在实现准谐振的设计中,现有的 L-C
储½电路正战略
性地用于
PWM
电源中。
结果是
L-C
储½电路的谐振效应½够“½化”开关器件的½换。这种
更½的½换将降½开关损耗及与硬开关½换器相关的
EMI。
由于谐振电路仅在相½于其它传
统方波½换器的开关½换瞬间才起½用,故而有
“准谐振”之名。
要理解这种设计的拓扑结构,必须了解
MOSFET
和变压器的寄生特性。MOSFET 包含若
干个寄生电容,主要从器件的物理结构产生。它们可以数学方式简化为
MOSFET
输入电容
CISS
MOSFET
输出电容
COSS,这里
CISS = CGS + CDG
COSS = CDS + CDG
在硬开关½换器中,输出电容
COSS
是开关损耗的主要来源。
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1 MOSFET
输入和输出电容
2
变压器的寄生电容
变压器也包含了寄生电容(图
2)。这些电容包括绕组间电容和层间电容,它们可以一起½型
为单一的电容
CW,也是硬开关½换器开关损耗的主要来源。
硬开关½换器中的寄生电容
3
示出传统硬开关反激式½换器。
在这种传统的间断模式反激式½换器
(DCM)
的停滞时
间期间,
寄生电容将与
VDC
周围的主要电感发生振荡。
寄生电容上的电压会随振荡而变化,
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½始终具有相½大的数值。½下一个时钟周期的
MOSFET
导通时间开始时,寄生电容
(COSS
CW)
会通过
MOSFET
放电,产生很大的电流尖峰。由于这个电流出现时
MOSFET
存在一个很大的电压,该电流尖峰因此会做成开关损耗。此外,电流尖峰含有大
量的谐波含量,从而产生
EMI。
准谐振反激式设计的实现
如果不用固定的时钟来初始化导通时间,而利用检测电路来有效地“感测”MOSFET
(VDS)
漏源电压的第一个最小值或谷值,并仅在这时启动
MOSFET
导通时间,情况又会如½?结
果会是由于寄生电容被充电到最小电压,
导通的电流尖峰将会最小化。
这情况常被称为谷值
开关
(Valley Switching)
或准谐振开关。在某些条件下,设计人员甚至可½获得零电压开关
(ZVS),即½ MOSFET
被激活时没有漏源电压。在这情况下,由于寄生电容没有充电,因
此电流尖峰不会出现。这种电源本身是由线路/荷½½条件决定的可变频率系统。换言之,调
节是通过改变电源的工½频率来进行,不管½时负½½或线路电压是多少,MOSFET 始终保
持在谷底的时候导通。
这类型的工½介于连续
(CCM)
和间断条件模式
(DCM)
之间。
因此,
以这种模式工½的½换器被称½在边界条件模式
(BCM)
下工½。
3
硬开关反激式½换器
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4 MOSFET
漏-源电压
准谐振或谷值开关的优势
在反激式电源设计中采用准谐振或谷值开关方案有着若干优势。
降½导通损耗
这种设计为设计人员提供了较½的导通损耗。由于
FET
½换具有最小的漏源电压,在某些
情况下甚至为零,故可以减小甚至消除导通电流尖峰。这减½了
MOSFET
的压力以及电源
EMI。
降½关断损耗
准谐振也意味着更小的关断损耗。由于规定
FET
会在谷值处进行½换,在某些情况下,可
½会增加额外的漏源电容,以减½漏源电压的上升速度。较慢的漏源电压上升时间会减少
FET
关断时漏级电流和漏源电压之间的电压/电流交迭,½到
MOSFET
的功耗更少,从而
降½其温度及增强其可靠性。
减少
EMI
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导通电流尖峰的减小或消除以及较慢的漏源电压上升速度½会减少
EMI。
一般而言,
这就允
许减少
EMI
滤波器的½用数量,从而降½电源成本。
结语
降½成本和增加可靠性永远½是电源设计人员的目标。
利用准谐振技术可以协助设计人员实
现这些目标。准谐振或谷底开关½减½
MOSFET
的压力,从而提高其可靠性。利用准谐振
技术,由于波½的谐波含量降½,电源的
EMI
因此得以减少。
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