世界各地有關降低電子系統(tǒng)能耗的各種倡議，正促使單相交流輸入電源設計人員采用更先進的電源技術,。為了獲得更高的功率級,，這些倡議要求效率達到87% 及以上。由于標準反激式 (flyback) 和雙開關正激式等傳統(tǒng)電源拓撲都不支持這些高效率級,，所以正逐漸被軟開關諧振和準諧振拓撲所取代,。

工作原理

圖1所示為采用三種不同拓撲 (準諧振反激式拓撲,、LLC諧振拓撲和使用軟開關技術的非對稱半橋拓撲) 的開關的電壓和電流波形,。

 

圖1：準諧振、LLC和非對稱半橋拓撲的比較

輸出二極管電流降至零

當初級端耦合回次級端時的斜坡變化

體二極管導通,，直到MOSFET導通

 

 這三種拓撲采用了不同的技術來降低MOSFET的開通損耗,，導通損耗的計算公式如下：

 

在這一公式中,，ID 為剛導通后的漏電流， VDS 為開關上的電壓,， COSSeff 為等效輸出電容值(包括雜散電容效應),，tON 為導通時間，fSW 為開關頻率,。.

如圖1所示,，準諧振拓撲中的 MOSFET 在剛導通時漏極電流為零，因為這種轉換器工作在不連續(xù)傳導模式下,，故開關損耗由導通時的電壓和開關頻率決定,。準諧振轉換器在漏電壓最小時導通，從而降低開關損耗,。這意味著開關頻率不恒定：在負載較輕時,，第一個最小漏電壓來得比較早。以往的設計總是在第一個最小值時導通,，輕負載下的效率隨開關頻率的增加而降低,，抵消了導通電壓較低的優(yōu)點。在飛兆半導體的e-Series™ 準諧振電源開關中,，控制器只需等待最短時間 (從而設置頻率上限),，然后在下一個最小值時導通 MOSFET。

其它拓撲都采用零電壓開關技術,。在這種情況下,，上面公式里的電壓VDS將從一般約400V的總線電壓降至1V左右，這有效地消除了導通開關損耗,。通過讓電流反向經(jīng)體二極管流過MOSFET,，再導通MOSFET，可實現(xiàn)零電壓開關,。二極管的壓降一般約為1V,。

諧振轉換器通過產生滯后于電壓波形相位的正弦電流波形來實現(xiàn)零電壓開關，而這需要在諧振網(wǎng)絡上加載方波電壓,，該電壓的基頻分量促使正弦電流流動 (更高階分量一般可忽略),。通過諧振，電流滯后于電壓,，從而實現(xiàn)零電壓開關,。諧振網(wǎng)絡的輸出通過整流提供DC輸出電壓，最常見的諧振網(wǎng)絡由一個帶特殊磁化電感的變壓器,、一個額外的電感和一個電容構成,，故名曰LLC。

非對稱半橋轉換器則是通過軟開關技術來實現(xiàn)零電壓開關。這里,，橋產生的電壓為矩形波,，占空比遠低于50%。在把這個電壓加載到變壓器上之前,，需要一個耦合電容來消除其中的DC分量,，而該電容還作為額外的能量存儲單元。當兩個MOSFET都被關斷時,，變壓器的漏電感中的能量促使半橋的電壓極性反轉,。這種電壓擺幅最終被突然出現(xiàn)初級電流的相關MOSFET體二極管鉗制。

選擇標準

這些能源優(yōu)化方面的成果帶來了出色的效率,。對于75W/24V的電源,，準諧振轉換器設計可以獲得超過88%的 效率。利用同步整流 (加上額外的模擬控制器和一個PFC前端),，更有可能在90W/19V電源下把效率提高到90% 以上,。在該功率級，雖然LLC諧振和非對稱半橋轉換器可獲得更高的效率,，但由于這兩種方案的實現(xiàn)成本較高,，所以這個功率范圍普遍采用準諧振轉換器。對于從1W輔助電源到30W機頂盒電源乃至50W的工業(yè)電源的應用范圍,，e-Series集成式電源開關系列都十分有效,。在此功率級之上，建議使用帶外部MOSFET的FAN6300準諧振控制器,，它可以提供處理超高系統(tǒng)輸入電壓的額外靈活性,，此外，由于外部MOSFET的選擇范圍廣泛而有助于優(yōu)化性價比,。

準諧振反激式拓撲使用一個低端MOSFET,；而另外兩種拓撲在一個半橋結構中需要兩個MOSFET。因此,，在功率級較低時,，準諧振反激式是最具成本優(yōu)勢的拓撲。在功率級較高時,，變壓器的尺寸增加,，效率和功率密度下降，這時往往考慮采用兩種零電壓開關拓撲,。

系統(tǒng)設計會受到四個因素所影響：分別是輸入電壓范圍,、輸出電壓、是否易于實現(xiàn)同步整流,，以及漏電感的實現(xiàn),。

圖2比較了兩種拓撲的增益曲線,。為便于說明，我們假設需要支持的輸入電壓為110V 和 220V,。對于非對稱半橋拓撲,，這不是問題,。在我們設定的工作條件下,，220V 和110V 時其增益分別為0.2和0.4 。在220V時,，效率較低,，因為磁化DC電流隨占空比減小而增大。對于LLC諧振轉換器來說,，最大增益為1.2,，要注意的是滿負載曲線非常接近諧振。0.6的增益將導致頻率極高,，系統(tǒng)性能很差,。總言之,，LLC 轉換器不適合于較寬的工作范圍,。通過對漏電感進行外部調節(jié)，LLC 轉換器可以用于歐洲的輸入范圍,，但代價是磁化電流較大,；若采用了PFC前端，它的工作最佳,。而非對稱半橋結構在輸入端帶有PFC級,，因此電路可工作在很寬的輸入電壓范圍上。



圖2：非對稱半橋和LLC轉換器的增益曲線

對于24V以上的輸出電壓,，我們建議采用LLC諧振轉換器,。高的輸出二極管電壓會致使非對稱半橋轉換器效率降低，因為額定電壓較高的二極管,，其正向壓降也較高,。在24V以下，非對稱半橋轉換器則是很好的選擇,。因為這時LLC轉換器的輸出電容紋波電流要大得多,，其隨輸出電壓降低而變大，從而增加解決方案的成本和尺寸,。



上述兩種拓撲都可以采用同步整流,。對非對稱半橋拓撲，這實現(xiàn)起來非常簡單 (參見飛兆半導體應用說明AN-4153),。對LLC控制器,，需要一個特殊的模擬電路來檢測流入MOSFET的電流,，如果開關頻率被限制為第二個諧振頻率 (圖2中的100kHz)，該技術是比較簡單的,。

最后,，兩種設計都依賴變壓器的漏電感：在LLC轉換器中用來控制增益曲線 (圖2)；而在非對稱半橋轉換器則用以確保輕載下的軟開關,。對于大多數(shù)應用,，我們都建議采用兩個單獨的電感來達到此目的。漏電感是變壓器中不容易控制的一個參數(shù),。此外,，要實現(xiàn)一個不同尋常的漏電感，需要一個非標準的線圈管,，這增加了成本,。對于非對稱半橋結構，如果采用標準變壓器,，諧振開關速度至少是開關頻率的10倍,，從而產生更大的損耗?？傊?，對LLC轉換器而言，建議再采用一個普通鐵氧體電感,；而對非對稱半橋轉換器,，建議只使用一個高頻鐵氧體電感。

圖3顯示了非對稱半橋轉換器的電路示意圖,。該圖非常類似于LLC諧振轉換器,，只有一點不同：LLC諧振轉換器不需要輸出電感，以及非對稱半橋控制器需要設置頻率而非PWM控制,。

 

圖3：基于FSFA2100的非對稱半橋轉換器

192W/24V 非對稱半橋轉換器的效率在 93% 左右,。AN-4153 360W/12V 倍流版在額定負載為20%-100% 時也有超過93%的滿負載效率。

在包含 PFC 前端的 200W/48V 電源條件下,，LLC 諧振轉換器的效率在 93% 左右,。通過同步整流，在該功率級下可以把效率提升至95%-96%,。