开关电源(SMPS)设计人员在从事其工作时，正面临到许多挑战，如空间有限、满足国际能源标准以及需要提供易于设计的解决方案等。为了在易于设计、不同负载下的功耗以及效率等各种因素之间取得平衡，双开关准谐振(QR)返驰拓扑和次级同步整流是满足未来能源法规的理想方案，它可提供优良的整体效率，在轻负载下保持较低功耗，同时易于设计。

本文将使用一个90W原型电源来验证所建议拓扑的有效性。

介绍

由于愈来愈关心环保的问题，这些年来高效率、低待机功耗的电源设计也愈来愈受到重视。近年来，业界使用软开关或谐振转换拓扑来因应高效率的挑战。然而，未来的低功耗、低成本和易于设计及制造方面的要求为目前的谐振拓扑带来了巨大的挑战。

本文将介绍新的双开关准谐振返驰式转换器拓扑的工作原理和优点，并且展示一个90W的电源设计。该电源可满足高效率(> 90%)和小体积(60mm x 95 mm x 16.5mm)的要求，同时满足2013 ErP的节能要求(0.25W负载条件下待机功耗<0.5W)。

根据双开关返驰拓扑的优势，它可能成为一种极具潜力且能满足未来笔记本电脑电源转换器、LED电视电源、LED照明驱动器、一体型PC电源和大功率充电器要求的解决方案。

双开关返驰拓扑的特性

高效率：

无负载和轻负载效率

功率开关电压钳位在VIN，并且还可以使用小于500V的MOSFET。

无缓冲电路和损耗，发热问题少。

可以使用薄型变压器和高频设计，适用于超薄型设计。

易于设计和制造。

系统方块图

图一 : 简化的系统方块图

图1所示为经过简化的双开关返驰式拓扑系统方块图，主要包含三级：PFC级、PWM级以及同步整流(SR)级，该方案采用三颗快捷半导体的IC来实现。

下文将介绍其工作原理和解决方案的优势。

在PFC级中使用CRM PFC来提高进入PWM级的输出电压。在小于200W的功率范围内， CRM PFC是首选，因其具有零电流开关和零二极管反向恢复损耗的优点。此外，FAN6920具有两级PFC输出电平，这样可以在低AC输入期间使用更低的PFC输出电平，以提高低线电压的效率。

在PWM级中有两个功率开关来控制能量输送时间，它们的开/关定时顺序是一致的，控制信号由PFC/PWM复合式控制器发出。因为还结合了两个能够对PWM开关最高额定电压钳位的再循环二极管（recycling diode），它还能够再利用泄漏电感能量，以提高系统效率。这样的设计可以省去主缓冲器，简化电路并降低系统成本。

此外，该级采用准谐振模式工作，能够以最小的漏-源电压让PWM开关保持在导通的状态，这样可在PWM级减少大量的开关损耗。另一方面，这种拓扑具有更宽的输入电压（PFC输出电压）范围，因此，调整PFC输出电压有益于改善PFC级的效率。

在整流级使用一个整流二极管来为输出电流传导和整流，然后产生一个至负载的直流输出电压。然而，当整流二极管被迫导通时，会产生正向电压降，因为该电压降会产生整流损耗并严重影响整体效率。为了进一步降低这种损耗以及由此而产生的发热问题，选择使用一个低导通阻抗(RDS-ON) MOSFET来作为主动器件和使用同步整流控制器（SR）来完成整流是比较建议的做法。可以通过SR控制器（例如FAN6204）来完成同步整流MOSFET的驱动和控制。

双开关返驰拓扑—基本工作原理和设计要点

PFC级

如前所述，PFC级在临界导通模式工作，因而开关频率会随输出负载的变化而改变。在大负载情况下，频率降低，而轻负载条件下频率变高。

因此，PFC开关的开关损耗成为整个系统的关键因素，尤其是在轻负载条件下。参看图2，当PFC开关断开时，PFC开关的漏极电压升高，该电压被钳位在PFC输出电压，直至升压电感器电流耗尽。

图二 : PFC功率开关的主要波形

在电感电流泄放至零时，图2中仍然能够看到工作波形，这时PFC开关的漏极电压开始共振并降低，在达到最低值时，PFC控制器可以使PFC开关导通，然后再开始一个新的开关周期。

如果PFC输出电压设置为低，输入电压亦处于低电平。如果满足如公式1，PFC开关能够在非常低的漏极电压或者达到ZVS时导通。

这对于改善PFC级的效率是非常有帮助的。

公式一 :

图3是不同的PFC输出电压设置下得出的PFC级效率。由于开关频率高，通过设置较低的输出电压，可以改善轻负载期间的PFC级的开关效率。在图3中可以清楚地看到20W输出功率的结果：藉由降低PFC输出电压，可以得到超过4%的效率提升。

图三 : 115VAC下不同PFC输出电压下PFC级的效率比较

PWM级

在本文的PWM级中，使用双开关返驰转换器来作为主要的DC/DC转换器，以便在电源转换器中产生稳定的直流输出电压。图4(A)和(B)所示为该转换器的简化线路及其详细的关键波形图。通过使用准谐振控制器（例如FAN6920），可以以最低的漏源电平来导通PWM开关，因为当PWM变压器电流泄放至零，PWM开关的漏–源电容与变压器电感发生谐振，从而让开关的漏–源电压谐振降低。控制器检测到电压达到谷底，则将PWM开关导通。在PWM开关断开期间，漏–源电压为次级绕组的反射加输入电压，而这些电压可如下式表示：

公式二 :

在断开周期的开始，变压器的漏感在PWM开关上产生电压峰值，使漏极电压升至VIN电压，然后钳位在该电平。因此，在PWM开关导通过程中储存的漏感能量可以通过两个途径释放。一是释放给PWM漏–源电容，进行充电并由该电压将漏极电压提高至VIN（参见公式2）。通过两个再循环二极管D1和D2释放和再循环至VIN。所以变压器的匝数比和VIN电平(PFC输出电压)会影响再循环周期和百分比。

图四a : 双开关返驰转换器及其主要波形图 双开关返驰

图四b : 开关返驰的主要波形图

图四c : PWM开关断开时放大的波形图

PWM变压器的匝数比考虑因素

比较不同的匝数比并观察其对PWM级的影响情况。图5 (A)和(B)为不同匝数比(N=11和12)情况下，低侧PWM开关的漏 – 源电压测量波形。

图5(A)和(B)中存在几种不同的系统表现情况。设置更高的匝数比可以获得更多的深谷值开关，这有利于减少PWM开关的损耗。另一点就是提高匝数比可以使得再循环周期变得更长。测量的波形存在着明显的不同。匝数比越高，可再循环利用的漏感能量更多，而不是将能量浪费在为PWM开关的漏 – 源电容充电。图5(C)显示不同匝数比情况下流过二极管D1和D2的再循环电流。

图五a : 双开关返驰拓扑的测量波形 匝数比=11

图五b : 匝数比=12

图五c : 匝数比为11和12时的再循环电流

另一点，提高匝数比后，次级均方根电流会增大。根据各种应用情况，应予以考虑并在PWM开关损耗和次级整流损耗之间进行优化。

由于再循环(Recycling)二极管的问题，这种PWM拓扑的使用存在一些限制。在PWM开关断开期间，主绕组上的电压被钳位在VIN。如果次级绕组电压低于输出电压目标值(VIN/N < VO)，输出电压将下降并钳位在VIN/N，在关断周期内，储存在变压器内的大部分能量释放至VIN。这样，在VIN电压被充电恢复至高于N×VO之前，会引起输出电压失控的情况。所以在PWM开关的关断周期内，要将VLP电压设计成小于VIN电压(不含电压峰值)。

PWM级绿色工作模式

能源之星外置电源（ENERGY STAR EPS）2.0版已经发布，并已在2008年11月生效。表1给出了能源之星对不同额定功率的详细规定。为了满足要求，多年前就已经在开发和使用绿色工作模式。尤其是返驰转换器，这是一种非常普级的拓扑，被广泛地应用在消费性产品电源和小于100W的电源。对于返驰转换器，绿色工作模式能够有效地降低控制器的工作电流、系统功耗并改善轻负载效率。然而，双开关返驰转换器也能够利用这些绿色技术使系统受益。

图6所示为FAN6920的回馈电压(VFB)与最小PWM关断时间(TOFF-MIN)特性曲线的对照图。在轻负载或输出负载降低期间，PWM关断时间将随VFB延长。这意味着PWM开关频率会降低。此外，控制器将使PFC级采用绿色模式工作，以进一步降低PFC功率器件电路的工作电流和损耗。另外，PWM级仍然具有谷值开关的特性，以使开关损耗达到最低。因此，电源系统能够在各种负载（例如：25%、50%、75%负载）条件下达到更高的效率。

图六 : 回馈电压(VFB) 与TOFF-MIN曲线的对照图

整流级

比较肖特基二极管（FYP2006DN）和MOSFET（FDP5800），在相同的导通电流下，可计算出大约有0.6V左右的正向电压差异（参见图7和图8）。因为正向电压降取决于它的导通电流，由于整流二极管是被动组件，很容易在电源系统中实现，而同步整流则需要额外的定时驱动线路。

图七 : 肖特基二极管的特性曲线(左)和漏极电流与源 - 漏导通电阻RDS(ON). (右)的曲线

实验：90W/19V轻薄型电源转换器

选择一种90W/19V轻薄型电源转换器(参见图8)进行实验，验证可行性并说明其性能。如表2所示，采用绿色工作模式，能够满足能源之星EPS 2.0版本(ENERGY STAR EPS version 2.0)的无负载功耗要求，输入功率低于200mW。此外，图9是90W双开关QR返驰和90W单开关QR返驰拓扑之间的效率比较，双开关QR返驰的效率高于单开关QR返驰的效率，平均效率超过90%(包含输出电缆)。

图八 : 图中转换器是一种90W/19V小型电源转换器

图九 : 双开关准谐振返驰和单开关准谐振返驰之间的效率比较

结论

与单开关返驰拓扑相比，双开关返驰拓扑的效率优于单开关返驰，初级端开关处的电压应力小，没有缓冲电路。相较于LLC拓扑，双开关返驰拓扑易于设计并便于量产，设计时间更短并且在轻负载条件下具有更高的效率。双开关准谐振返驰拓扑具有低待机功耗，有助于整个系统通过ErP 2.0规范(待机功耗<0.5W)。所以，双开关准谐振返驰拓扑是未来高效率、小体积应用的理想解决方案。

（本文由Fairchild快捷半导体提供)