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第20章 准谐振电源原理资料

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采用FSQ0365RN 的 20W反激式
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上图说明
所示是我们在德国的全球功率资源中心 (Global Power Resource™ Center) 设计的应 用实例。R103、R104、R105、D104 和 C103 构成了漏极上最小电压级检测所需的附 加元件。
FOD2741 是误差放大器,在封装中整合了标 准光电耦合器的功能和工业标准431 参考基准。 其余元件均为反激式转换器的标准配备。
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上图说明
对于该款设计,在175VAC 到 265VAC 的电压 范围内测得的无负载待机功耗小于130mW。 在较低的输入电压下,待机功耗甚至可低于同 类设计。在整个电压范围上,其满负载效率大 于86%,对这个功率级下的多输出反激式电源 而言已是非常高的了。它的线路调节相当出色 ― 改变输入电压时,测得的电压并没有出现 变化。对于已经调节的输出,负载调节率保持 在5% 范围之内。
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上图说明
在85V并在到265VAC 时下降至73%。 对小型电源而言,这是十分出色的性能,全然 得益于准谐振技术的利用。在整个工作范围上, 线路调节率和负载调节率都完全落在1% 范围 内。测得无散热器的器件温度高于室温15 度。 1.2mH 的电感和 220nF 的电容就可提供充分 的滤波,以满足标准的EMI 规范。
电流模式反激式转换器在非连续导通模式下工作 时的漏极波形。这里使用的是单栅极脉冲。在第一个 时间间隔期间,漏极电流上升至到需要的电流值。然 后电源开关关断。反激式变压器中的泄漏电感与节点 电容相互振荡,产生受钳位电路限制的泄漏电感尖峰。 电感尖峰减小后,漏极电压值回落到输入电压加反射 输出电压之和。当输出二极管中的电流下降到零时, 若忽略初级电感和节点电容的影响,漏极电压将立即 跌至总线电压。但实际上漏极电压会降回图中所示的 电平级。
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上图说明
低功率准谐振器件的推出开拓了众多新的可能性。全 球功率资源中心已利用FSQ311 器件开发出可提供 20V/100mA 输出的准谐振降压电路。待机功耗测量 在10mA 的负载情况下进行。在85VAC 到265VAC 的 全范围上,总体功耗小于400mW (包括200mW的基 本负载),对于高达180VAC 的范围,则小于350mW。 低输入电压下性能更好,因为这时漏极电压波形的波 谷远较输入电压更高时接近零。此外,这也表明可以 利用这种设计来让0.2W电源获得50%的效率。
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设计说明
初级电感和节点电容构成一个谐振电 路。当电感为1.4mH、节点电容为 73pF 时,由方程式4π2f2LC = 1 可计 算出谐振频率为500kHz。谐振电路为 弱阻尼。我们发现,利用这种近似法, 谐振频率与输入电压及负载电流没有 直接关联。
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MOS管的问题
对于非连续导通模式反激式转换器,MOSFET 在固 定频率下导通 (忽略任何频率抖动产生的影响)。器件 导通,并在达到设置的电流值时关断,然后在前一个 器件导通后一段固定时间时再导通。器件的导通时间 与漏极谐振不同步。在一些情况下,当漏极电压低于 总线电压加反射输出电压之和时,器件可能导通;在 另外一些情况下,器件在漏极电压更高时才导通。这 种特性常常可在不连续反激式转换器的效率曲线上看 到:在驱动恒定负载时,由于器件导通时间上升或降 至谐振曲线的波谷,效率将随输入电压变化。
准谐振电源原理
准谐振转换是十分成熟的技术,广泛用于消费 产品的电源设计中。新型的绿色FPS (Green FPS) 系列把这一技术的应用范围拓展到了低 功耗领域。
准谐振转换的原理是降低拓扑中电源开关的导 通损耗。谐振转换器可把导通损耗降至最低, 但工作方式迥异。
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反激式漏极电压及电流波形
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上图说明
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准谐振开关的优点
此外,在准谐振过程中存在固有频率抖动,将会减小 EMI 噪声,进一步降低滤波器成本。这个成因在于大 电容上的输入电压纹波。对恒定负载而言,最大纹波 电压下的导通时间和输出二极管导电时间比最小纹波 电压下的要小,导致开关频率随相等于纹波频率的扫 描频率而线性变化 (例如,对50Hz AC 工作频率的全 桥整流电路为100Hz)。这降低了150kHz到1MHz 开 关频率上的EMI。这是准谐振转换器用于阴极射线管 彩电应用的主要原因:开关频率持续变化,把电视图 像上的干扰效应减至最小。
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准谐振开关的优点
与反激式转换器的不连续工作模式及连续工作 模式相比,准谐振开关提供的导通损耗更低, 因此能够提高效率和降低器件温度。通过在先 进控制器或集成电源开关中采用频率钳位电路, 可以克服简单准谐振电路在轻负载下损耗较高 的问题。
若导通过程中电流电压较低,产生的EMI 也较 小,这正是准谐振应用的情况。在1MHz 到 50MHz 的频率范围内可减小EMI。
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谐振的频率问题
对于准谐振开关,器件没有固定开关频率,而 是让控制器在漏极电压到达波谷之时导通。以 往针对彩电市场设计的准谐振器件一般在第一 个波谷时导通。对负载总是很高的彩电而言, 这是一个很好的解决方案。但对于动态范围很 宽的负载来说,这会产生问题。
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谐振的频率问题
器件关断和第一个波谷之间的时间由谐振频率 决定。器件导通和关断之间的时间由控制器设 定。对较轻的负载,由于电感需要的能量较小, 故这个时间较小,导致导通时间较短,以及输 出二极管的导电时间也变短。因此,对较轻的 负载而言,频率变高,致使开关损耗增大。
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