实现高效率和低待机功耗的双管反激式转换器

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。
问：一般在小功率场合选用双管反激还是正激电路？
答：小功率一般选择反激，还要兼顾输出，一般高压小电流选择反激，低压大电流建议选择正激。
问：反激电源变压器的漏感参数如何设计？
答：使用Dual-Flyback不必刻意针对漏感作设计，原因是漏感能量会被回收至Bulk cap。
问：在电能消耗上有什么具体的优化吗？
答：利用变压器匝数比可以减低开关切换损失，并且此架构可以将原本反激式转换器所消耗在缓振电路上的损耗给完全回收。这两点是最主要的优化方式。
问：关于反激电源的占空比在设计时有何要求吗？
答：低压满载建议占空比低于0.45以下，双管反激比普通反激占空比稍大，因为双管反激匝数比可以取大点。
问：使用双管反激成本是否会增加？
答：相比单管反激成本有些增加，但比LLC略少。
问：双反激方案的输入电压范围为多少？
答：输入电压为90 VAC ~265VAC。
问：除了优点之外，双管反激是否也存在着某些缺点或不足？
答：双管反激需要增加驱动电路，特别是上管需要增加自举供电线路；最高效率比LLC稍低。
问：双管反激式解决方案的可靠性除了不用担心初级开关的直通外还表现在哪些地方?
答：双管反激的电路控制方式采用电流回授控制。而LLC采用电压回授控制。所以双管反激的回授响应速度快，对于二次侧做短路测试的时候速度反应也优于LLC。
问：该方案的效能达到什么水平？
答：能源之星5.0；2013Erp Lot6(输出0.25W，输入小于0.5W)。
问：与双管正激式电源有什么不同点？
答：第一，电路拓扑结构不同；第二，在输出功率上，双管正激一般做200W以上。
问：提供的评估板可以带多大的负载？
答：目前规划的评估板有90W、120W与200W。
问：想了解一下你们所提出的这个方案对与环境有什么要求？
答：主要要看您的需求电源为何？一般而言100W~200W都可以适用。
问：为什么小功率电源不用双管反激式呢？
答：因为两颗功率晶体的成本较高，建议使用在有高效需求的时候。
问：在高压输入情况下，如何进行很好的反馈？
答：如果输出电压精度要求不高，可以采用初级侧稳压。
问：反激电源的EMS如何？
答：电源工作在谷底导通模式，优于硬开关。目前产品CS以及RS都可通过一般家电用品的规范。RS产品已经通过10V的检测。
问：在设计时有什么需要特别注意的地方？
答：在设计双管反激变压器的同时，需注意变压器圈比乘上输出电压不可大于1/2的输入电压。
问：死区的问题如何解决？
答：因为双管反激的开关为同时开关，所以没有死区问题。
问：双管反激式拓朴有没有进入实质性研发阶段？在实际中使用，会不会提高成本呢？
答：已有客户使用，相较于单管反激是会提高成本，若相较于半桥谐振的话，反激式转换器应该是大家较为熟悉的拓扑。为熟悉的拓扑。