準諧振反激式電源設計之探討

低成本和高可靠性是離線電源設計中兩個最重要的目標。準諧振 (Quasi resonant) 設計為設計人員提供了可行的方法，以實現(xiàn)這兩個目標。準諧振技術降低了MOSFET的開關損耗，從而提高可靠性。此外，更軟的開關改善了電源的EMI特性，允許設計人員減少使用濾波器的數(shù)目，因而降低成本。本文將描述準諧振架構背后的理論及其實施，并說明這類反激式電源的使用價值。

基本知識

“準”(quasi)是指有點或部分的意思。在實現(xiàn)準諧振的設計中，現(xiàn)有的L-C 儲能(L-C tank) 電路正戰(zhàn)略性地用于PWM電源中。結(jié)果是L-C 儲能電路的諧振效應能夠“軟化”開關器件的轉(zhuǎn)換。這種更軟的轉(zhuǎn)換將降低開關損耗及與硬開關轉(zhuǎn)換器相關的EMI。由于諧振電路僅在相當于其它傳統(tǒng)方波轉(zhuǎn)換器的開關轉(zhuǎn)換瞬間才起作用，故而有 “準諧振”之名。

要理解這種設計的拓撲結(jié)構，必須了解MOSFET和變壓器的寄生特性。MOSFET包含若干個寄生電容，主要從器件的物理結(jié)構產(chǎn)生。它們可以數(shù)學方式簡化為MOSFET輸入電容CISS，和MOSFET輸出電容COSS，這里
CISS = CGS + CDG
COSS = CDS + CDG

圖1  MOSFET輸入和輸出電容

在硬開關轉(zhuǎn)換器中，輸出電容COSS是開關損耗的主要來源。

變壓器也包含了寄生電容。這些電容包括繞組間電容和層間電容，它們可以一起轉(zhuǎn)型為單一的電容CW，也是硬開關轉(zhuǎn)換器開關損耗的主要來源。

 
圖2  變壓器的寄生電容

硬開關轉(zhuǎn)換器中的寄生電容

圖3示出傳統(tǒng)硬開關反激式轉(zhuǎn)換器。在這種傳統(tǒng)的間斷模式反激式轉(zhuǎn)換器 (DCM) 的停滯時間期間，寄生電容將與VDC周圍的主要電感發(fā)生振蕩。寄生電容上的電壓會隨振蕩而變化，但始終具有相當大的數(shù)值。當下一個時鐘周期的MOSFET導通時間開始時，寄生電容 (COSS 和 CW) 會通過MOSFET放電，產(chǎn)生很大的電流尖峰。由于這個電流出現(xiàn)時MOSFET存在一個很大的電壓，該電流尖峰因此會做成開關損耗。此外，電流尖峰含有大量的諧波含量，從而產(chǎn)生EMI。

 
圖3  硬開關反激式轉(zhuǎn)換器

準諧振反激式設計的實現(xiàn)

如果不用固定的時鐘來初始化導通時間，而利用檢測電路來有效地“感測”MOSFET (VDS) 漏源電壓的第一個最小值或谷值，并僅在這時啟動MOSFET導通時間，情況又會如何？結(jié)果會是由于寄生電容被充電到最小電壓，導通的電流尖峰將會最小化。這情況常被稱為谷值開關 (Valley Switching) 或準諧振開關。在某些條件下，設計人員甚至可能獲得零電壓開關 (ZVS)，即當MOSFET被激活時沒有漏源電壓。在這情況下，由于寄生電容沒有充電，因此電流尖峰不會出現(xiàn)。這種電源本身是由線路/荷載條件決定的可變頻率系統(tǒng)。換言之，調(diào)節(jié)是通過改變電源的工作頻率來進行，不管當時負載或線路電壓是多少，MOSFET始終保持在谷底的時候?qū)ā＿@類型的工作介于連續(xù) (CCM) 和間斷條件模式 (DCM) 之間。因此，以這種模式工作的轉(zhuǎn)換器被稱作在邊界條件模式 (BCM) 下工作。

 
圖4  MOSFET漏-源電壓

準諧振或谷值開關的優(yōu)勢

在反激式電源設計中采用準諧振或谷值開關方案有著若干優(yōu)勢。

降低導通損耗

這種設計為設計人員提供了較低的導通損耗。由于FET轉(zhuǎn)換具有最小的漏源電壓，在某些情況下甚至為零，故可以減小甚至消除導通電流尖峰。這減輕了MOSFET的壓力以及電源的EMI。

降低關斷損耗

準諧振也意味著更小的關斷損耗。由于規(guī)定FET會在谷值處進行轉(zhuǎn)換，在某些情況下，可能會增加額外的漏源電容，以減低漏源電壓的上升速度。較慢的漏源電壓上升時間會減少FET關斷時漏級電流和漏源電壓之間的電壓/電流交迭，使到MOSFET的功耗更少，從而降低其溫度及增強其可靠性。

減少EMI

導通電流尖峰的減小或消除以及較慢的漏源電壓上升速度都會減少EMI。一般而言，這就允許減少EMI濾波器的使用數(shù)量，從而降低電源成本。

結(jié)語

降低成本和增加可靠性永遠都是電源設計人員的目標。利用準諧振技術可以協(xié)助設計人員實現(xiàn)這些目標。準諧振或谷底開關能減輕MOSFET的壓力，從而提高其可靠性。利用準諧振技術，由于波形的諧波含量降低，電源的EMI因此得以減少。