节能式电源拓扑的作业原理及挑选规范

世界各地有关下降电子体系能耗的各种主张，正促进单相沟通输入电源规划人员选用更先进的电源技能。为了取得更高的功率级，这些主张要求功率到达87% 及以上。由于规范反激式 (flyback) 和双开关正激式等传统电源拓扑都不支撑这些高功率级，所以正逐渐被软开关谐振和准谐振拓扑所替代。本文介绍三种节能电源拓扑（准谐振反激式拓扑、LLC谐振拓扑和运用软开关技能的非对称半桥拓扑）的作业原理及挑选规范，教你如何为节能式电源挑选正确的拓扑。
作业原理
图1所示为选用三种不同拓扑 (准谐振反激式拓扑、LLC谐振拓扑和运用软开关技能的非对称半桥拓扑) 的开关的电压和电流波形。

图1：准谐振、LLC和非对称半桥拓扑的比较
1）输出二极管电流降至零
2）当初级端耦合回次级端时的斜坡改变
3）体二极管导通，直到MOSFET导通
这三种拓扑选用了不同的技能来下降MOSFET的注册损耗，导通损耗的计算公式如下：
在这一公式中，ID 为刚导通后的漏电流， VDS 为开关上的电压， COSSeff 为等效输出电容值(包括杂散电容效应)，tON 为导通时刻，fSW 为开关频率。.
如图1所示，准谐振拓扑中的 MOSFET 在刚导通时漏极电流为零，由于这种转换器作业在不接连传导形式下，故开关损耗由导通时的电压和开关频率决议。准谐振转换器在漏电压最小时导通，然后下降开关损耗。这意味着开关频率不稳定：在负载较轻时，第一个最小漏电压来得比较早。以往的规划总是在第一个最小值时导通，轻负载下的功率随开关频率的添加而下降，抵消了导通电压较低的长处。在飞兆半导体的e-Series™ 准谐振电源开关中，操控器只需等候最短时刻 (然后设置频率上限)，然后鄙人一个最小值时导通 MOSFET。
其它拓扑都选用零电压开关技能。在这种情况下，上面公式里的电压VDS将从一般约400V的总线电压降至1V左右，这有用地消除了导通开关损耗。经过让电流反向经体二极管流过MOSFET，再导通MOSFET，可完成零电压开关。二极管的压降一般约为1V。
谐振转换器经过发生滞后于电压波形相位的正弦电流波形来完成零电压开关，而这需求在谐振网络上加载方波电压，该电压的基频重量促进正弦电流活动 (更高阶重量一般可疏忽)。经过谐振，电流滞后于电压，然后完成零电压开关。谐振网络的输出经过整流供给DC输出电压，最常见的谐振网络由一个带特别磁化电感的变压器、一个额外的电感和一个电容构成，故名曰LLC。
非对称半桥转换器则是经过软开关技能来完成零电压开关。这儿，桥发生的电压为矩形波，占空比远低于50%。在把这个电压加载到变压器上之前，需求一个耦合电容来消除其间的DC重量，而该电容还作为额外的能量存储单元。当两个MOSFET都被关断时，变压器的漏电感中的能量促进半桥的电压极性回转。这种电压摆幅终究被忽然呈现初级电流的相关MOSFET体二极管胁迫。
挑选规范
这些动力优化方面的效果带来了超卓的功率。

关于75W/24V的电源，准谐振转换器规划能够取得超越88%的 功率。运用同步整流 (加上额外的模仿操控器和一个PFC前端)，更有可能在90W/19V电源下把功率提高到90% 以上。在该功率级，尽管LLC谐振和非对称半桥转换器可取得更高的功率，但由于这两种计划的完本钱钱较高，所以这个功率规模遍及选用准谐振转换器。关于从1W辅佐电源到30W机顶盒电源甚至50W的工业电源的运用规模，e-Series集成式电源开关系列都十分有用。在此功率级之上，主张运用带外部MOSFET的FAN6300准谐振操控器，它能够供给处理超高体系输入电压的额外灵活性，此外，由于外部MOSFET的挑选规模广泛而有助于优化性价比。
准谐振反激式拓扑运用一个低端MOSFET；而别的两种拓扑在一个半桥结构中需求两个MOSFET。因而，在功率级较低时，准谐振反激式是最具本钱优势的拓扑。在功率级较高时，变压器的尺度添加，功率和功率密度下降，这时往往考虑选用两种零电压开关拓扑。
体系规划会遭到四个要素所影响：分别是输入电压规模、输出电压、是否易于完成同步整流，以及漏电感的完成。
图2比较了两种拓扑的增益曲线。为便于阐明，咱们假定需求支撑的输入电压为110V 和 220V。关于非对称半桥拓扑，这不是问题。在咱们设定的作业条件下，220V 和110V 时其增益分别为0.2和0.4 。在220V时，功率较低，由于磁化DC电流随占空比减小而增大。关于LLC谐振转换器来说，最大增益为1.2，要注意的是满负载曲线十分挨近谐振。0.6的增益将导致频率极高，体系功能很差。总言之，LLC 转换器不适合于较宽的作业规模。经过对漏电感进行外部调理，LLC 转换器能够用于欧洲的输入规模，但价值是磁化电流较大；若选用了PFC前端，它的作业最佳。而非对称半桥结构在输入端带有PFC级，因而电路可作业在很宽的输入电压规模上。

图2：非对称半桥和LLC转换器的增益曲线
关于24V以上的输出电压，咱们主张选用LLC谐振转换器。高的输出二极管电压会致使非对称半桥转换器功率下降，由于额外电压较高的二极管，其正向压降也较高。在24V以下，非对称半桥转换器则是很好的挑选。由于这时LLC转换器的输出%&&&&&%纹波电流要大得多，其随输出电压下降而变大，然后添加解决计划的本钱和尺度。