開關電源(SMPS)設計人員在從事其工作時，正面臨到許多挑戰，如空間有限、滿足國際能源標準以及需要提供易於設計的解決方案等。為了在易於設計、不同負載下的功耗以及效率等各種因素之間取得平衡，雙開關準諧振(QR)返馳拓撲和次級同步整流是滿足未來能源法規的理想方案，它可提供優良的整體效率，在輕負載下保持較低功耗，同時易於設計。

本文將使用一個90W原型電源來驗證所建議拓撲的有效性。

介紹

由於愈來愈關心環保的問題，這些年來高效率、低待機功耗的電源設計也愈來愈受到重視。近年來，業界使用軟開關或諧振轉換拓撲來因應高效率的挑戰。然而，未來的低功耗、低成本和易於設計及製造方面的要求為目前的諧振拓撲帶來了巨大的挑戰。

本文將介紹新的雙開關準諧振返馳式轉換器拓撲的工作原理和優點，並且展示一個90W的電源設計。該電源可滿足高效率(> 90%)和小體積(60mm x 95 mm x 16.5mm)的要求，同時滿足2013 ErP的節能要求(0.25W負載條件下待機功耗<0.5W)。

根據雙開關返馳拓撲的優勢，它可能成為一種極具潛力且能滿足未來筆記型電腦電源轉換器、LED電視電源、LED照明驅動器、一體型PC電源和大功率充電器要求的解決方案。

雙開關返馳拓撲的特性

高效率：

無負載和輕負載效率

功率開關電壓鉗位在VIN，並且還可以使用小於500V的MOSFET。

無緩衝電路和損耗，發熱問題少。

可以使用薄型變壓器和高頻設計，適用於超薄型設計。

易於設計和製造。

系統方塊圖

圖一 : 　簡化的系統方塊圖

圖1所示為經過簡化的雙開關返馳式拓撲系統方塊圖，主要包含三級：PFC級、PWM級以及同步整流(SR)級，該方案採用三顆快捷半導體的IC來實現。

下文將介紹其工作原理和解決方案的優勢。

在PFC級中使用CRM PFC來提高進入PWM級的輸出電壓。在小於200W的功率範圍內， CRM PFC是首選，因其具有零電流開關和零二極體反向恢復損耗的優點。此外，FAN6920具有兩級PFC輸出電平，這樣可以在低AC輸入期間使用更低的PFC輸出電平，以提高低線電壓的效率。

在PWM級中有兩個功率開關來控制能量輸送時間，它們的開/關定時順序是一致的，控制信號由PFC/PWM複合式控制器發出。因為還結合了兩個能夠對PWM開關最高額定電壓鉗位的再循環二極體（recycling diode），它還能夠再利用洩漏電感能量，以提高系統效率。這樣的設計可以省去主緩衝器，簡化電路並降低系統成本。

此外，該級採用準諧振模式工作，能夠以最小的漏-源電壓讓PWM開關保持在導通的狀態，這樣可在PWM級減少大量的開關損耗。另一方面，這種拓撲具有更寬的輸入電壓（PFC輸出電壓）範圍，因此，調整PFC輸出電壓有益於改善PFC級的效率。

在整流級使用一個整流二極體來為輸出電流傳導和整流，然後產生一個至負載的直流輸出電壓。然而，當整流二極體被迫導通時，會產生正向電壓降，因為該電壓降會產生整流損耗並嚴重影響整體效率。為了進一步降低這種損耗以及由此而產生的發熱問題，選擇使用一個低導通阻抗(RDS-ON) MOSFET來作為主動器件和使用同步整流控制器（SR）來完成整流是比較建議的做法。可以通過SR控制器（例如FAN6204）來完成同步整流MOSFET的驅動和控制。

雙開關返馳拓撲—基本工作原理和設計要點

PFC級

如前所述，PFC級在臨界導通模式工作，因而開關頻率會隨輸出負載的變化而改變。在大負載情況下，頻率降低，而輕負載條件下頻率變高。

因此，PFC開關的開關損耗成為整個系統的關鍵因素，尤其是在輕負載條件下。參看圖2，當PFC開關斷開時，PFC開關的漏極電壓升高，該電壓被鉗位在PFC輸出電壓，直至升壓電感器電流耗盡。

圖二 : 　PFC功率開關的主要波形

在電感電流泄放至零時，圖2中仍然能夠看到工作波形，這時PFC開關的漏極電壓開始共振並降低，在達到最低值時，PFC控制器可以使PFC開關導通，然後再開始一個新的開關週期。

如果PFC輸出電壓設置為低，輸入電壓亦處於低電平。如果滿足如公式1，PFC開關能夠在非常低的漏極電壓或者達到ZVS時導通。

這對於改善PFC級的效率是非常有幫助的。

公式一 :

圖3是不同的PFC輸出電壓設置下得出的PFC級效率。由於開關頻率高，通過設置較低的輸出電壓，可以改善輕負載期間的PFC級的開關效率。在圖3中可以清楚地看到20W輸出功率的結果：藉由降低PFC輸出電壓，可以得到超過4%的效率提升。

圖三 : 　115VAC下不同PFC輸出電壓下PFC級的效率比較

PWM級

在本文的PWM級中，使用雙開關返馳轉換器來作為主要的DC/DC轉換器，以便在電源轉換器中產生穩定的直流輸出電壓。圖4(A)和(B)所示為該轉換器的簡化線路及其詳細的關鍵波形圖。通過使用準諧振控制器（例如FAN6920），可以以最低的漏源電平來導通PWM開關，因為當PWM變壓器電流泄放至零，PWM開關的漏–源電容與變壓器電感發生諧振，從而讓開關的漏–源電壓諧振降低。控制器檢測到電壓達到谷底，則將PWM開關導通。在PWM開關斷開期間，漏–源電壓為次級繞組的反射加輸入電壓，而這些電壓可如下式表示：

公式二 :

在斷開週期的開始，變壓器的漏感在PWM開關上產生電壓峰值，使漏極電壓升至VIN電壓，然後鉗位在該電平。因此，在PWM開關導通過程中儲存的漏感能量可以通過兩個途徑釋放。一是釋放給PWM漏–源電容，進行充電並由該電壓將漏極電壓提高至VIN（參見公式2）。通過兩個再循環二極體D1和D2釋放和再循環至VIN。所以變壓器的匝數比和VIN電平(PFC輸出電壓)會影響再循環週期和百分比。

圖四a : 　雙開關返馳轉換器及其主要波形圖 雙開關返馳

圖四b : 　開關返馳的主要波形圖

圖四c : 　PWM開關斷開時放大的波形圖

PWM變壓器的匝數比考慮因素

比較不同的匝數比並觀察其對PWM級的影響情況。圖5 (A)和(B)為不同匝數比(N=11和12)情況下，低側PWM開關的漏 – 源電壓測量波形。

圖5(A)和(B)中存在幾種不同的系統表現情況。設置更高的匝數比可以獲得更多的深谷值開關，這有利於減少PWM開關的損耗。另一點就是提高匝數比可以使得再循環週期變得更長。測量的波形存在著明顯的不同。匝數比越高，可再循環利用的漏感能量更多，而不是將能量浪費在為PWM開關的漏 – 源電容充電。圖5(C)顯示不同匝數比情況下流過二極體D1和D2的再循環電流。

圖五a : 　雙開關返馳拓撲的測量波形 匝數比=11

圖五b : 　匝數比=12

圖五c : 　匝數比為11和12時的再循環電流

另一點，提高匝數比後，次級均方根電流會增大。根據各種應用情況，應予以考慮並在PWM開關損耗和次級整流損耗之間進行優化。

由於再循環(Recycling)二極體的問題，這種PWM拓撲的使用存在一些限制。在PWM開關斷開期間，主繞組上的電壓被鉗位在VIN。如果次級繞組電壓低於輸出電壓目標值(VIN/N < VO)，輸出電壓將下降並鉗位在VIN/N，在關斷週期內，儲存在變壓器內的大部分能量釋放至VIN。這樣，在VIN電壓被充電恢復至高於N×VO之前，會引起輸出電壓失控的情況。所以在PWM開關的關斷週期內，要將VLP電壓設計成小於VIN電壓(不含電壓峰值)。

PWM級綠色工作模式

能源之星外置電源（ENERGY STAR EPS）2.0版已經發佈，並已在2008年11月生效。表1給出了能源之星對不同額定功率的詳細規定。為了滿足要求，多年前就已經在開發和使用綠色工作模式。尤其是返馳轉換器，這是一種非常普級的拓撲，被廣泛地應用在消費性產品電源和小於100W的電源。對於返馳轉換器，綠色工作模式能夠有效地降低控制器的工作電流、系統功耗並改善輕負載效率。然而，雙開關返馳轉換器也能夠利用這些綠色技術使系統受益。

圖6所示為FAN6920的回饋電壓(VFB)與最小PWM關斷時間(TOFF-MIN)特性曲線的對照圖。在輕負載或輸出負載降低期間，PWM關斷時間將隨VFB延長。這意味著PWM開關頻率會降低。此外，控制器將使PFC級採用綠色模式工作，以進一步降低PFC功率器件電路的工作電流和損耗。另外，PWM級仍然具有谷值開關的特性，以使開關損耗達到最低。因此，電源系統能夠在各種負載（例如：25%、50%、75%負載）條件下達到更高的效率。

圖六 : 　回饋電壓(VFB) 與TOFF-MIN曲線的對照圖

整流級

比較肖特基二極體（FYP2006DN）和MOSFET（FDP5800），在相同的導通電流下，可計算出大約有0.6V左右的正向電壓差異（參見圖7和圖8）。因為正向電壓降取決於它的導通電流，由於整流二極體是被動元件，很容易在電源系統中實現，而同步整流則需要額外的定時驅動線路。

圖七 : 　肖特基二極體的特性曲線(左)和漏極電流與源 - 漏導通電阻RDS(ON). (右)的曲線

實驗：90W/19V輕薄型電源轉換器

選擇一種90W/19V輕薄型電源轉換器(參見圖8)進行實驗，驗證可行性並說明其性能。如表2所示，採用綠色工作模式，能夠滿足能源之星EPS 2.0版本(ENERGY STAR EPS version 2.0)的無負載功耗要求，輸入功率低於200mW。此外，圖9是90W雙開關QR返馳和90W單開關QR返馳拓撲之間的效率比較，雙開關QR返馳的效率高於單開關QR返馳的效率，平均效率超過90%(包含輸出電纜)。

圖八 : 　圖中轉換器是一種90W/19V小型電源轉換器

圖九 : 　雙開關準諧振返馳和單開關準諧振返馳之間的效率比較

結論

與單開關返馳拓撲相比，雙開關返馳拓撲的效率優於單開關返馳，初級端開關處的電壓應力小，沒有緩衝電路。相較於LLC拓撲，雙開關返馳拓撲易於設計並便於量產，設計時間更短並且在輕負載條件下具有更高的效率。雙開關準諧振返馳拓撲具有低待機功耗，有助於整個系統通過ErP 2.0規範(待機功耗<0.5W)。所以，雙開關準諧振返馳拓撲是未來高效率、小體積應用的理想解決方案。

（本文由Fairchild快捷半導體提供)