实现高效率和低待机功耗的开关电源设计详解

　　高效率和低待机功耗是现今开关电源设计的两大难题，由于谐振拓扑或LLC拓扑能够满足高效率的要求，因而日益流行。然而在这种拓朴中，前PFC级必须在轻负载期间保持运作，造成谐振回路中存在内循环损耗，待机功耗成为一个头疼问题。对于没有附加辅助电源的应用，LLC谐振拓扑难以满足2013 ErP等新法规，在0.25W负载下输入功率低于0.5W的要求。双管反激式拓朴是能够应对效率和待机功耗两大挑战的解决方案，适用于75W~200W范围的电源。它提供了与LLC谐振解决方案相当的效率，还有大幅改良的待机功率性能。双管反激式拓朴能够成为颇具吸引力的解决方案，可替代复杂的LLC谐振转换器，用于笔记本电脑适配器、LED-TV电源、LED照明驱动器、一体型电脑电源和大功率充电器应用。

　　设计开关电源的挑战

　　现代设计开关电源的挑战大致分为五个部分。

　　•低待机功耗

　　•高效率

　　•高功率密度

　　•高可靠性

　　•低成本

　　用于75W~200W应用的理想解决方案，现有的单反激式转换器解决方案为目前最普遍的解决方案之一，有低待机功耗、低成本和易于设计等优点而被大量使用，但对于未来更高它不能解决所有设计挑战。现有的单反激式转换器解决方案面临着很多困难，难以达到》 90%的低效率问题、低功率密度、过高的MOSFET漏源电压和缓冲器损耗和发热问题都不利于高可性的要求，而且限制功率范围必须为150W以内。

　　为了提高效率和功率密度，可零电压切换的LLC转换器解决方案被逐渐使用，但这也不能解决所有设计挑战，例如，无辅助电源便不能满足2013 ErP Lot 6要求 （《0.5W@0.25W），还有在设计和生产过程中，对于变压器容差和栅极驱动时限敏感的问题。

　　双管反激解决方案 （75~200W）

　　双管反激解决方案分为三个部分，分别是FAN6920： BCM PFC + QR 组合；FAN7382： H/L 驱动器；FAN6204： SR控制器，如图1所示。

　　图1 飞兆半导体双管反击解决方案

　　双管反激主要特点

　　双管QR反激转换器主要特点分为四个方面，它在低待机功耗、高效率、易于设计和低EMI方面有显著的优势。

　　在低待机功耗方面，双管QR反激转换器能完全满足2013 ErP Lot 6要求。在PIN《0.5W @230Vac; PO=0.25W；PIN《0.25W@ 230Vac（无负载时）。

　　在高效率方面，双管QR反激转换器的特点表现在漏电感能量可以回收至输入，且无需有损耗的缓冲器；500V MOSFET可以用在初级端；初级端采用谷底开关以降低开关损耗；减小次级端整流器的电压应力；可使用可变PFC输出电压技术以提高整个系统的低压线路效率。

　　双管QR反激转换器具有易于设计的特点，它与熟知的传统反激式转换器设计相同，并且可以简便地实现变压器批量生产。它可以使用超低侧高变压器，无需考虑泄漏电感。

　　在EMI方面，双管QR反激转换器具有低EMI，漏极过冲电压被箝制在输入电压上；谷底开关等特点。

　　双管反激基本工作原理

　　双管反激与单管反激的基本原理相似，只是多了一个阶段2。阶段1、3、4与零谐振单管反激的工作原理相同。阶段1： Q1和Q2同时导通，变压器的电感电流将会线性增加并将能量储存于变压器中；当2个MOS管关闭时候就进入阶段2；阶段2：因为漏感所形成的高漏源电压会导致2个回收二极体导通，Q1和Q2截止，D1，D2导通；当漏感能量回收完毕，进入阶段3；阶段 3和4： Q1和Q2 截止，D1和D2截止。

　　双管反激的好处

　　双管反激的好处之一就是减少能量损耗。无缓冲器损耗和发热问题，漏电感能量可回收在大容量电容器中。

　　双管反激拓扑的好处之二是高可靠性和低开关损耗。由于低MOSFET漏源电压得到良好的可靠性，允许大匝数比（n）设计实现近似于ZVS开关的低开关损耗。

　　双管反激拓扑的好处之三是减小次级端传导损耗。SR MOSFET的VDS为：VIN/n+VOUT，大匝数比n对于SR MOSFET的好处是大n意味着较低的VDS，即较低MOSFET Ron，这样就得到了较低价格，降低了成本得到了较高的效率。举例说明，当VIN = 420V，Vo=12V，n= 12，那么，VDS=420V/12 +12V=47V，则可以选择60V或75V SR MOSFET。

　　双管反激拓扑的好处之四是可以提高低压线路效率。两级PFC输出以提高低压线路效率。

　　双管反激拓扑的好处之五是提高轻负载效率。深度扩展谷底开关（最多第12个谷底周期）允许轻负载下的低工作频率。

　　双管反激拓扑的好处之六是实现低待机功耗。双管反激拓扑无缓冲器损耗和发热问题，漏电感能量可回收在大容量电容器中。

　　双管QR反激与单开关反激比较

　　单开关对比双管QR反激转换器如图3所示，左边为单开关QR反激，右边为双开关QR反激。

　　图2 双管反激基本工作原理

　　图3 单开关对比双管QR反激转换器

　　单开关QR反激具体特性有：

　　•需要RCD缓冲器以

　　耗散漏电感能量

　　•需要高压MOSFET

　　（700~800V）

　　•需要较高压SR MOSFET （》100V for

　　12V Vo）

　　•较低的匝数比

　　双开关QR反激具体特性有：

　　•漏电感能量可回收到输入

　　•若反射输出电压（VO×Np/Ns）大于

　　输入电压，能量不会传送到输出（不

　　允许ZVS）

　　•可使用500V MOSFET

　　•可使用《75V SR MOSFET（for 12V

　　Vo）

　　•较高的匝数比

　　双管QR反激对比LLC谐振转换器

　　双管QR反激与LLC谐振转换器如图4所示，左边为双管QR反激，右边为LLC谐振转换器等特点。

　　图4 双管QR反激对比LLC谐振转换器

　　双管QR反激具体特性有：

　　•初级端电流随负载减少而减少

　　•近似于ZVS运作（谷底开关）

　　•变压器设计简单，与传统反激式转换

　　器一样

　　•无直通问题

　　LLC谐振转换器具体特性有：

　　•即使在轻负载条件下初级端也有大环

　　流电流（高待机功耗）

　　•完全的ZVS运作

　　•复杂的变压器设计

　　•固有的直通（shoot through）问题

　　双管反激与LLC谐振转换器在19V/90W输出的演示版上的效率比较，可以看出LLC在高压输入即重载时的表现非常好，但是在低压输入即轻载时的表现相对较弱。总的来说，双管反激的平均效率较好，因为它的轻载效率比LLC谐振转换器大幅提升在低电压输入时也有部输于LLC谐振转换器的效率表现。

　　表1 双管反激与LLC谐振转换器特性比较

　　19V/90W输出的适配器，这个适配器高16.5mm，长95mm，宽60mm，在这么一个薄小的设计却能达到较好的效率，如表2所示。130W/19V一体机PC电源效率如表3所示。130W/19V一体机PC电源效率如表3所示。200W/19V 一体机PC电源效率如表4所示。

　　表2 19V/90W输出的适配器效率表现

　　表3 130W/19V一体机PC电源效率

　　表4 200W/19V一体机PC电源效率

　　目标应用

　　双管反激适用于75W ~200W功率范围。

　　•一体型（AIO）PC电源

　　• LED TV

　　•笔记本电脑适配器

　　•游戏机

　　• LED照明

　　•要求高效率和低待机功耗的单输出应用

　　总而言之，双管反激可说是吸取了单管反激低待机功耗的优点和LLC谐振转换器高效能的优点，达到了高效率低待机和低功耗。