如何设计高能效、低EMI准谐振适配器

如何设计高能效、低EMI准谐振适配器

准方波谐振转换器也称准谐振(QR)转换器，广泛用于电源适配器。准方波谐振的关键特征是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在漏极至源极电压(VDS)达到其最低值时导通，从而减小开关损耗及改善电磁干扰(EMI)信号。

　　准谐振转换器采用不连续导电模式(DCM)工作时，VDS必须从输入电压(Vin)与反射电压(Vreflect)之和降低到Vin。变压器初级电感(Lp)与节点电容(Clump，即环绕MOSFET漏极节点的所有电容组合值，包括MOSFET电容和变压器寄生电容等)构成谐振网络，Lp与Clump相互振荡，振荡半周期以公式计算。

　　然而，自振荡准谐振转换器在负载下降时，开关频率上升；这样，在轻载条件下，如果未限制开关频率，损耗会较高，影响电源能效；故必须限制开关频率。

　　限制开关频率的方法有两种。第一种是传统准谐振转换器所使用的带频率反走的频率钳位方法，即通过频率钳位来限制开关频率。但在轻载条件下，系统开关频率达到频率钳位限制值时，出现多个处于可听噪声范围的谷底跳频，导致信号不稳定。

　　为了解决这个问题，就出现第二种方法，也就是谷底锁定，即在负载下降时，在某个谷底保持锁定，直到输出功率大幅下降，然后改变谷底。输出功率降低到某个值时，进入压控振荡器(VCO)模式，参见图1。具体而言，反馈(FB)比较器会选定谷底，并将信息传递给计数器，FB比较器的磁滞特性就锁定谷底。这种方法在系统负载降低时，提供自然的开关频率限制，不会出现谷底跳频噪声，且不降低能效。

图1：谷底锁定方法示意图。

　　最新准谐振控制器NCP1379/NCP1380概览

　　NCP1379和NCP1380是安森美半导体新推出的两款高性能准谐振电流模式控制器，特别适合适配器应用。作为应用上述第二种方法的控制器，NCP1379和NCP1380包括两种工作模式：一为准谐振电流模式，带谷底锁定功能，能消除噪声；二为VCO模式，用于在轻载时提升能效。这两款器件还提供多种保护功能，如过载保护(OPP)、软启动、短路保护、过压保护、过温保护及输入欠压保护。

　　就工作原理而言，在带谷底锁定的准谐振模式，控制器根据反馈电压锁定至某个谷底(最多到第4个谷底)，峰值电流根据反馈电压来调整，提供所需的输出功率。这样，就解决了准谐振转换器的谷底跳频不稳定问题，且与传统准谐振转换器相比，提供更高的最小开关频率及更低的最大开关频率，还减小变压器尺寸。

　　而在反馈电压小于0.8 V(输出功率减小)或小于1.4 V(输出功率上升) 时，控制器进入VCO模式，此时峰值电流固定，为最大峰值电流的17.5%，而开关频率可变，由反馈环路设定。

　　在保护功能方面，这两款器件以读取辅助绕组电压结合提供过零检测(ZCD)和过载保护功能(参见图2)，其中在MOSFET关闭期间(辅助绕组正电压)使用ZCD功能，而在MOSFET导通期间(辅助绕组负电压)使用OPP功能，能够根据ZCD电压减小峰值电流。

图2：NCP1379/NCP1380结合提供ZCD和OPP功能。

　　此外，这两款控制器内置80 ms定时器，用于短路验证。还提供绕组短路保护功能，以额外的电流感测(CS)比较器及缩短时间的前沿消隐(LEB)来检测绕组短路，当电流感测电压(VCS)达到电流感测电压阈值(VILIM)的1.5倍后就关闭控制器。

　　值得一提的是，NCP1380提供A、B、C和D等不同版本，用以满足客户不同的保护需求。例如，四个版本均提供过压保护功能，而其中NCP1380A和NCP1380B提供过温保护，NCP1380C和NCP1380D提供输入过压保护；另外，NCP1380A和NCP1380C提供过流保护闩锁，而NCP1380B和NCP1380D提供过流保护自动恢复功能。此外，NCP1380A和NCP1380B在同一引脚上结合了过压保护和过温保护功能，而NCP1380B、NCP1380D及NCP1379在同一引脚上结合了过压保护和输入欠压保护功能，这样就减少了外部元件需求。

　　应用设计过程

　　假定我们的目标电源规格为：输入电压85至265 Vrms，输出电压19 V，输出功率60 W，最小开关频率45 kHz(输入电压为100 Vdc时)，采用600 V MOSFET，230 Vrms时待机能耗低于100 mW。这样，我们可将应用设计过程分解为多个步骤。

　　1) 准谐振变压器参数计算

　　匝数比：  

　　初级峰值电流：

　　初级电感：

　　最大占空比：

　　初级均方根(RMS)电流：

　　次级均方根(RMS)电流：

　　2) 预测开关频率

　　负载下降时，控制器会改变谷底。问题在于如何才能预测负载变化时开关频率怎样变化。实际上，功率增加或减小时，控制器用以改变谷底的反馈(FB)电平也不同，正是借此特性提供谷底锁定。知道反馈电平阈值后，我们就能够计算开关频率的变化及相应的输出功率。通过手动计算或使用Mathcad电子表格，我们就可以解极出最大开关频率。

图3：预测开关频率。