技术观点：解密准共振,DC/DC,转换器设计
中心议题：
- 准共振转换器概述
- 准共振转换器工作
- 控制器选择
- 重要的设计注意事项
与返驰式 DC/DC 转换器拓扑相比，准共振设计不仅能提供高能效，而且生成的电磁干扰 (EMI) 也较低，使得它特别适合噪音敏感的应用，例如电视机或音频设备。然而，实施工作变得更加庞大，令工程师感到恐惧，这往往使工程师推迟探索上述这些好处。在这篇文章中，Future Electronics（波兰）的技术经理 Piotr Pupar 介绍如何轻松设计准共振转换器，它几乎与流行的返驰式转换器一样容易。
准共振转换器概述
在电源转换器中实施共振电路的目的是为了改进半导体开关的换向过程。事实上，在添加共振电路后，您能够进行零电压和零电流开关，与基本的硬交换返驰式转换器等传统SMPS 拓扑相比，整体系统效率都有了提升。典型的准共振转换器能够实现大约 83％-87％ 的效率。此外，共振转换器产生的 EMI 比硬交换转换器产生的 EMI 少。
另一个重要的好处是：在发生短路时，其固有的安全性很高。这是因为，在完全除去变压器的磁性之前，MOSFET 的传导周期将被抑制，它意味着变压器饱和不可能发生。同时，因为准共振转换器产生功率的方式与传统转换器的方式相同，所以先前实施了传统返驰式转换器的设计人员完全有能力实施准共振转换器。几乎不需要任何额外的知识。
然而，应当指出，准共振技术也有一些缺点。对于在非连续导通模式下工作的系统，一般来说，通过电感器的电流在换向周期结束时会下降到零，峰值电流和 RMS 值会相对较高。这导致 MOSFET 中较高的传导损耗和变压器中较大的高频损耗。因此，对于宽范围电源应用，在低于 150W 的功率级别可获得准共振电路的最好结果；对于欧洲电源电压范围，则在低于 200W 的功率级别可获得最好结果。
准共振转换器的另一个不太理想的特性是，当负载下降时，交换频率上升。在极端情况下，因为 MOSFET 中的功率损耗在高交换频率时会大大增加，因此这种现象可能会消除软交换的优势。这就需要 PWM 控制器实施频率钳位，防止频率超过已定义的最大级别。
最后，准共振转换器通常需要具有 800V 漏极至源极电压 (VDS) 的 MOSFET，该电压高于在相同条件下工作的标准返驰式控制器的电压，对于标准返驰式控制器来说，通常 600V 就足够了。此类 800V 设备一般要比 600V 同等设备昂贵，并且通常无法作为控制器集成到同一个封装中。
准共振转换器工作
与共振电路在转换过程中发挥积极作用的共振拓扑不同，准共振拓扑仅实施软换向过程。图 1 中显示准共振返驰式转换器的简化图表。这种拓扑与常规方波 PWM 返驰式转换器具有明确的相似之处，其中 MOSFET 输出电容器 (Coss) 表示漏极节点的总电容。
123下一页> 关键字：准共振 DC/DC 转换器 本文链接：http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80017445 图 2 显示准共振返驰式转换器的典型波形。如果二极管电流在 MOSFET 关闭后达到零，则 MOSFET VDS 会由于原边电感器 (Lm) 与 MOSFET 输出电容器 Coss 之间的共振而开始振荡。在 VDS 达到其最小值时（因漏极与源极之间的电容负载，降低 MOSFET 导通开关损耗），通过开启 MOSFET 来实现准共振交换。设计变压器匝数比 Np/Ns，以便共振振幅大于 VIN，从而使零电压开关 MOSFET 能够实现。
在谷值（即，VDS 的最低值）开关 MOSFET 是确保准共振转换器高效率和低噪音优点的关键。由于 MOSFET 有效地以零电压和零电流开启（因为 dVDS/dt = 0），并且由于二极管也以零电流关闭，由此产生的软交换降低了开关损耗以及二极管反向恢复造成的开关噪音。控制器选择
准共振返驰式转换器的 PWM 控制器来源于硬交换返驰式转换器的控制器，但添加了某些特点；从根本上说，它必须能够检测到谷值何时达到其最低点，然后开启 MOSFET；传统硬交换返驰式转换器不需要此能力。原则上，能够检测 VDS 负值的任何 PWM 控制器均可用于控制准共振转换器。Fairchild Semiconductor、STMicroelectronics 和 ON Semiconductor 等半导体制造商提供综合解决方案，成功解决准共振技术面临的挑战；STMicroelectronics 的 L6566A等也支持传统返驰式转换器模式。
适用于准共振转换器的控制器包括：
? 出自 Fairchild Semiconductor 的 FAN6921
? 出自 ON Semiconductor 的 NCP1380
? 出自 STMicroelectronics 的 L6566A/B/BH
? 出自 STMicroelectronics 的 ALTAIR05T-800
来自 Fairchild 的应用说明 6921 和 4150、来自 ON Semiconductor 的 AND8431/D 以及来自 STMicroelectronics 的 AN1326 提供了大量的信息，以帮助设计人员实施准共振转换。
重要的设计注意事项
首次进行准共振转换器设计之前，在前面所述的应用说明的帮助下，了解将面临的主要问题是一件非常值得的事情。正如讨论的那样，可靠检测 MOSFET 电压谷值是准共振转换器操作中的要素。某些 PWM 转换器实施此功能要比其他转换器做得更好，因此在评价竞争对手的设备时，务必留意这一点。例如，图 3 显示使用 Fairchild FAN6921 PWM 控制器的谷值检测电路的典型应用。通过监视流出谷值检测针 (DET) 的电流来检测MOSFET的电压谷值；当流出检测针的电流超过30μA 时，将触发该电路。这是特别有吸引力的解决方案，因为它只需要一个变压器辅助线圈和两个电阻。
PWM 控制器的第二个重要特性是频率处理限制在减少的负载。风险在于，当开关频率接近上限时，会发生谷值跳转，并且控制器在两个谷值之间振荡，导致操作不稳定和中低输出时发出噪音。出于此原因，先进的准共振控制器采用谷值锁定电路。在这里，当负载下降时，将通过更改谷值，逐步降低开关频率。一旦控制器选择某个谷值，它将锁定这个谷值，直到输出功率发生极大变化为止。这是使准共振操作延伸到轻负载且频率稳定性不会下降的成功技术。ON Semiconductor 的 NCP1380 提供此技术的良好示例。该控制器调低到第四个谷值工作，并在此后切换到变频模式，从而确保优秀的待机功率性能。
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最后一个要注意的特点是集成的 PFC 控制。设计适当的准共振转换器应实现超过 80% 的效率，增加 PFC 控制电路可以进一步提高此效率。Fairchild 的 FAN6921 具有集成的 PFC 控制器。另外，STMicroelectronics L6566A 提供 PFC 前端，它与 L6563 等外部 PFC 控制器配合工作。ON Semiconductor 的 NCP1381/82 准共振控制器在低负载条件下可以自动断开 PFC 控制器。此功能使设计人员能够扩大准共振转换器的效率优势，同时降低待机功耗。
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