准谐振工作的反激转换器

引言
利用准方波谐振转换器，亦称准谐振(QR)转换器，可设计出电磁干扰(EMI)特征波形较小的开关模式电源(SMPS)。这些转换器基于著名的反激架构，且QR控制器包含简单的逻辑电路（无振荡器），从而使任何SMPS设计师都能轻而易举地理解准谐振。
这些转换器正日益走俏，并主要应用于消费电子市场，但并非每位设计师都了解“准谐振”背后的原理。

准谐振
“准谐振”通常是指将真实的硬开关转换器与谐振网络相结合。与常规的PWM转换器相比，QR工作所产生的开关损耗更小，但由于流经MOSFET的RMS电流增大，因而导致较大的导电损耗。然而，准谐振的主要优点之一在于能够减小传导或辐射干扰的频谱分量。
该项技术存在的主要问题是当开关断开时会产生很高的电压。大多数时间内，这些谐振离线设计均要求使用具有1kV左右BVdss的MOSFET，其价格之高使众多需求者望而却步。因此，设计师纷纷将目光转向另一种折衷方案，即准方波转换，它常常被误称为准谐振。

准方波谐振转换器
如果仔细观察一下标准的硬开关波形（图1），我们可以看到，在给定的时间内，漏极电压达到了最小值。这种情况仅发生在磁芯去磁之后。
图1  不连续导电模式(DCM)中的硬开关波形
如图1所示，可以想象由一个控制器将MOSFET导通，直至其电流达到设置点。然后再由它来断开MOSFET，直至检测到磁芯去磁（通常通过一个辅助绕组）。因此，控制器不需要独立时钟，而仅检测由负载/线路状态所决定的事件是否存在：这就是所谓的自激工作方式。基于此技术的转换器通常称为自振荡电源(SOPS)，谷点开关转换器等。

振荡的起源可以从图2的电路中看到，图中有L-C网络。
图2  典型的反激电路显示出两种不同的谐振网络
因事件不同，存在两种不同的配置：
* 在开关闭合时，初级电流不但流经初级电感LP，还流过漏感LLEAK。导通时间结束后，储存在LP中的能量通过耦合磁通传送到变压器的次级侧。然而，变压器两端之间耦合的漏感使其电压反向，并使漏极电压快速上升。因此，LLEAK和CTOT共同形成了一个谐振网络。
* 变压器磁芯去磁时，初级和次级电流下降到零：次级二极管停止导电，而反射初级的电压自然消失。这意味着VDS不断趋近于VIN。但是，在没有谐振网络的情况下，转换是突变的，由初级电感LP和与前面提到的几乎相同的CTOT引起。正弦振铃随之产生，并因存在欧姆损耗而衰减。因此，漏极不断处于振铃波的各个局部最小值的位置上，这些最小值称为“谷点”。如果我们能够在这些波谷的中点位置将MOSFET导通，便可确保导通损耗最小，特别是那些与电容损耗有关的导通损耗：。因为其与漏极电压的平方成正比，所以较小的VDS即意味着电容损耗较小。因此，准方波工作（或谷点开关）是指在VDS最小时重新启动开关。如各图所示，这种情况发生在变压器磁芯去磁后的一段时间内。采用这种方法，我们创建了一个转换器，由于去磁时间取决于输入/输出的工作状态，因此，它自然可以在可变频率下工作。图3为准方波转换器的典型波形图。
图3  准方波转换器的典型漏-源波形图
可以看到，总周期由不同的事件组成，首先是磁化磁芯(TON)，然后完全去磁(TOFF)，最后插入一个时延(TW)以使漏极最小。分别计算这三个不同事件便可求出自激振荡频率。计算细节见安森美半导体网站的应用注释AND8089或AND8145。
忽略TW，便可以用简单的一次频率迭代公式得出最终的计算结果（如送入Spice仿真器中）：

将方程输入电子表格并画出FSW和各种参数（VOUT、IOUT等）之间的关系，便可看出该系统频率的高度可变性。图4和图5分别画出了给定应用中FSW与输入电压及输出电流之间的函数关系。
图4  采用通用交流电源供电的100W SMPS的频率变化
图5  给定输入电压(100V)时频率和负载之间的关系

较弱的EMI特征波形
控制正弦波（或接近正弦波）的变量所提供的频谱分量总是比硬开关系统所提供的更窄。图6和图7描述了两个工作在同一点上但采用不同开关技术的系统所呈现的传导EMI特征波形：
图6  软开关方法减小了1MHz以上的能量谱分量
图7  硬开关系统在同一部位产生大量的噪声
由于MOSFET在漏极电平最低时重新启动，因而此处不存在在开关闭合时放电的经典COSS电容，而且极窄的峰值电流也已经消失（当其足够大时，该峰值也往往会干扰电流检测比较器，甚至存在LEB电路的情况下亦不可避免）。因此，当开关模式电源(SMPS)需要在射频部分附近工作时，尤其是在电视机底板应用中，推荐采用准方波转换器。

检测磁芯去磁事件
磁芯去磁检测通常通过专用的辅助绕组来实现，其电压波形直接与变压器磁通相关： 。取决于控制器设备，观察到的信号的极性必须与其检测电路相适应。
图8给出了采用反激和正激绕法的辅助绕组所发出的去磁信号的实例。
图8  来自反激或正激绕组的磁芯去磁信号
请注意，这种技术并非用来检测磁芯去磁或谷点，而是检测辅助电压的过零点，即VDRAIN=VIN。为了检测真正的谷点，检测中必须增加一个延迟。实际上，是在此辅助信号和控制器的输入引脚之间增加一个小的RC滤波器：除了确保在谷点处导通所需的延迟之外，它也可滤除对重新启动控制器产生负面影响的漏感因素。
当辅助绕组同时被用来对控制器供电时，正激类型将施加一个额外的限制，因为电源电压和VIN成正比：控制器的电源电压范围必须足够宽，以适应VAUX较大的变化。

实验结果
这些结果来源于采用安森美半导体NCP1207的30W电源（参见图9）。
图9  30W准方波电源的原理图
图10显示了高线电压、额定负载时的漏极信号。特为进一步延迟去磁检测以显示谷点。
图10  高线电压、满载时的VDRAIN
图11显示了输出功率减小时的谷点跳变(P3 < P2 < P1)，以及真正轻负载情况(P4)下的跳频。
图11：不同输出功率(P1 > P2 > P3 > P4)时的VDRAIN

结语
准谐振是减小由经典反激电源产生的EMI的良好解决方案，而且设计并不复杂：由于其基于相同的拓扑，因而仅需更改控制器。但是必须小心处理自激工作所带来的一些弊端：当电路需要和开关同步时，可变频率可成为潜在的问题。另一个潜在的问题是，当输入电压变化时，给定初级峰值电流所提供的输出功率亦会发生变化。通常，过载检测基于峰值电流的监视，如果要求真正的过载保护而不只是短路保护，则必须增加补偿。

但是，只要正确设计，准方波转换器亦可带来一些优点，特别是在电源必须靠近敏感信号如RF或视频信号工作的应用中。因此，这些转换器不仅非常适合用于电视机、机顶盒或DVD录像机，也很适用于线路滤波器尺寸可大大减小的外部电源。