中心議題：

• 電源拓撲結構工作原理
• 電源拓撲結構選擇標準
• 準諧振轉換器設計方案

解決方案：

• 基於FSFA2100的非對稱半橋轉換器

世shi界jie各ge地di有you關guan降jiang低di電dian子zi係xi統tong能neng耗hao的de各ge種zhong倡chang議yi，正zheng促cu使shi單dan相xiang交jiao流liu輸shu入ru電dian源yuan設she計ji人ren員yuan采cai用yong更geng先xian進jin的de電dian源yuan技ji術shu。為wei了le獲huo得de更geng高gao的de功gong率lv級ji
，這zhe些xie倡chang議yi要yao求qiu效xiao率lv達da到dao87%及以上。由於標準反激式(flyback)和雙開關正激式等傳統電源拓撲都不支持這些高效率級
，所以正逐漸被軟開關諧振和準諧振拓撲所取代。

工作原理

圖1所示為采用三種不同拓撲(準諧振反激式拓撲、LLC諧振拓撲和使用軟開關技術的非對稱半橋拓撲)的開關的電壓和電流波形。
 

圖1：準諧振
、LLC和非對稱半橋拓撲的比較

輸出二極管電流降至零

當初級端耦合回次級端時的斜坡變化

體二極管導通，直到MOSFET導通

這三種拓撲采用了不同的技術來降低MOSFET的開通損耗
，導通損耗的計算公式如下：

在這一公式中
，ID為剛導通後的漏電流，VDS為開關上的電壓，COSSeff為等效輸出電容值(包括雜散電容效應)，tON為導通時間


，fSW為開關頻率。.

如圖1所示，準諧振拓撲中的MOSFET在(zai)剛(gang)導(dao)通(tong)時(shi)漏(lou)極(ji)電(dian)流(liu)為(wei)零(ling)
，因(yin)為(wei)這(zhe)種(zhong)轉(zhuan)換(huan)器(qi)工(gong)作(zuo)在(zai)不(bu)連(lian)續(xu)傳(chuan)導(dao)模(mo)式(shi)下(xia)
，故(gu)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)由(you)導(dao)通(tong)時(shi)的(de)電(dian)壓(ya)和(he)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)決(jue)定(ding)。準(zhun)諧(xie)振(zhen)轉(zhuan)換(huan)器(qi)在(zai)漏(lou)電(dian)壓(ya)最(zui)小(xiao)時(shi)導(dao)通(tong)，從(cong)而(er)降(jiang)低(di)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)。這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)不(bu)恒(heng)定(ding)：在zai負fu載zai較jiao輕qing時shi，第di一yi個ge最zui小xiao漏lou電dian壓ya來lai得de比bi較jiao早zao。以yi往wang的de設she計ji總zong是shi在zai第di一yi個ge最zui小xiao值zhi時shi導dao通tong，輕qing負fu載zai下xia的de效xiao率lv隨sui開kai關guan頻pin率lv的de增zeng加jia而er降jiang低di，抵di消xiao了le導dao通tong電dian壓ya較jiao低di的de優you點dian。在zai飛fei兆zhao半ban導dao體ti的dee-Series??準諧振電源開關中

，控製器隻需等待最短時間(從而設置頻率上限)，然後在下一個最小值時導通MOSFET。

其它拓撲都采用零電壓開關技術。在這種情況下，上麵公式裏的電壓VDS將從一般約400V的總線電壓降至1V左右，這有效地消除了導通開關損耗。通過讓電流反向經體二極管流過MOSFET，再導通MOSFET
，可實現零電壓開關。二極管的壓降一般約為1V。

諧xie振zhen轉zhuan換huan器qi通tong過guo產chan生sheng滯zhi後hou於yu電dian壓ya波bo形xing相xiang位wei的de正zheng弦xian電dian流liu波bo形xing來lai實shi現xian零ling電dian壓ya開kai關guan，而er這zhe需xu要yao在zai諧xie振zhen網wang絡luo上shang加jia載zai方fang波bo電dian壓ya，該gai電dian壓ya的de基ji頻pin分fen量liang促cu使shi正zheng弦xian電dian流liu流liu動dong(更高階分量一般可忽略)。通過諧振，電流滯後於電壓，從而實現零電壓開關。諧振網絡的輸出通過整流提供DC輸出電壓，最常見的諧振網絡由一個帶特殊磁化電感的變壓器

、一個額外的電感和一個電容構成，故名曰LLC。

非對稱半橋轉換器則是通過軟開關技術來實現零電壓開關。這裏，橋產生的電壓為矩形波
，占空比遠低於50%。在把這個電壓加載到變壓器上之前，需要一個耦合電容來消除其中的DC分量，而該電容還作為額外的能量存儲單元。當兩個MOSFET都被關斷時，變壓器的漏電感中的能量促使半橋的電壓極性反轉。這種電壓擺幅最終被突然出現初級電流的相關MOSFET體二極管鉗製。
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選擇標準

這些能源優化方麵的成果帶來了出色的效率。對於75W/24V的電源，準諧振轉換器設計可以獲得超過88%的效率。利用同步整流(加上額外的模擬控製器和一個PFC前端)，更有可能在90W/19V電源下把效率提高到90%以上。在該功率級，雖然LLC諧振和非對稱半橋轉換器可獲得更高的效率，但由於這兩種方案的實現成本較高，所以這個功率範圍普遍采用準諧振轉換器。對於從1W輔助電源到30W機頂盒電源乃至50W的工業電源的應用範圍，e-Series集成式電源開關係列都十分有效。在此功率級之上
，建議使用帶外部MOSFET的FAN6300準諧振控製器，它可以提供處理超高係統輸入電壓的額外靈活性，此外，由於外部MOSFET的選擇範圍廣泛而有助於優化性價比。

準諧振反激式拓撲使用一個低端MOSFET;而另外兩種拓撲在一個半橋結構中需要兩個MOSFET。因(yin)此(ci)
，在(zai)功(gong)率(lv)級(ji)較(jiao)低(di)時(shi)，準(zhun)諧(xie)振(zhen)反(fan)激(ji)式(shi)是(shi)最(zui)具(ju)成(cheng)本(ben)優(you)勢(shi)的(de)拓(tuo)撲(pu)。在(zai)功(gong)率(lv)級(ji)較(jiao)高(gao)時(shi)
，變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)尺(chi)寸(cun)增(zeng)加(jia)

，效(xiao)率(lv)和(he)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)下(xia)降(jiang)

，這(zhe)時(shi)往(wang)往(wang)考(kao)慮(lv)采(cai)用(yong)兩(liang)種(zhong)零(ling)電(dian)壓(ya)開(kai)關(guan)拓(tuo)撲(pu)。

係統設計會受到四個因素所影響：分別是輸入電壓範圍

、輸出電壓、是否易於實現同步整流
，以及漏電感的實現。

圖2比較了兩種拓撲的增益曲線。為便於說明，我們假設需要支持的輸入電壓為110V和220V。對於非對稱半橋拓撲
，這不是問題。在我們設定的工作條件下，220V和110V時其增益分別為0.2和0.4。在220V時
，效率較低，因為磁化DC電流隨占空比減小而增大。對於LLC諧振轉換器來說


，最大增益為1.2，要注意的是滿負載曲線非常接近諧振。0.6的增益將導致頻率極高，係統性能很差。總言之，LLC轉換器不適合於較寬的工作範圍。通過對漏電感進行外部調節，LLC轉換器可以用於歐洲的輸入範圍，但代價是磁化電流較大;若采用了PFC前端

，它的工作最佳。而非對稱半橋結構在輸入端帶有PFC級

，因此電路可工作在很寬的輸入電壓範圍上。

非對稱半橋和LLC轉換器的增益曲線

圖2：非對稱半橋和LLC轉換器的增益曲線

對於24V以上的輸出電壓

，我們建議采用LLC諧振轉換器。高的輸出二極管電壓會致使非對稱半橋轉換器效率降低，因為額定電壓較高的二極管，其正向壓降也較高。在24V以下
，非對稱半橋轉換器則是很好的選擇。因為這時LLC轉換器的輸出電容紋波電流要大得多，其隨輸出電壓降低而變大

，從而增加解決方案的成本和尺寸。

上述兩種拓撲都可以采用同步整流。對非對稱半橋拓撲

，這實現起來非常簡單(參見飛兆半導體應用說明AN-4153)。對LLC控製器，需要一個特殊的模擬電路來檢測流入MOSFET的電流，如果開關頻率被限製為第二個諧振頻率(圖2中的100kHz)，該技術是比較簡單的。

最後，兩種設計都依賴變壓器的漏電感：在LLC轉換器中用來控製增益曲線(圖2);而(er)在(zai)非(fei)對(dui)稱(cheng)半(ban)橋(qiao)轉(zhuan)換(huan)器(qi)則(ze)用(yong)以(yi)確(que)保(bao)輕(qing)載(zai)下(xia)的(de)軟(ruan)開(kai)關(guan)。對(dui)於(yu)大(da)多(duo)數(shu)應(ying)用(yong)
，我(wo)們(men)都(dou)建(jian)議(yi)采(cai)用(yong)兩(liang)個(ge)單(dan)獨(du)的(de)電(dian)感(gan)來(lai)達(da)到(dao)此(ci)目(mu)的(de)。漏(lou)電(dian)感(gan)是(shi)變(bian)壓(ya)器(qi)中(zhong)不(bu)容(rong)易(yi)控(kong)製(zhi)的(de)一(yi)個(ge)參(can)數(shu)。此(ci)外(wai)
，要(yao)實(shi)現(xian)一(yi)個(ge)不(bu)同(tong)尋(xun)常(chang)的(de)漏(lou)電(dian)感(gan)，需(xu)要(yao)一(yi)個(ge)非(fei)標(biao)準(zhun)的(de)線(xian)圈(quan)管(guan)
，這(zhe)增(zeng)加(jia)了(le)成(cheng)本(ben)。對(dui)於(yu)非(fei)對(dui)稱(cheng)半(ban)橋(qiao)結(jie)構(gou)，如(ru)果(guo)采(cai)用(yong)標(biao)準(zhun)變(bian)壓(ya)器(qi)，諧(xie)振(zhen)開(kai)關(guan)速(su)度(du)至(zhi)少(shao)是(shi)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)的(de)10倍，從而產生更大的損耗。總之，對LLC轉換器而言，建議再采用一個普通鐵氧體電感;而對非對稱半橋轉換器，建議隻使用一個高頻鐵氧體電感。
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圖3顯示了非對稱半橋轉換器的電路示意圖。該圖非常類似於LLC諧振轉換器
，隻有一點不同：LLC諧振轉換器不需要輸出電感，以及非對稱半橋控製器需要設置頻率而非PWM控製。
 

圖3：基於FSFA2100的非對稱半橋轉換器

192W/24V非對稱半橋轉換器的效率在93%左右。AN-4153360W/12V倍流版在額定負載為20%-100%時也有超過93%的滿負載效率。

在包含PFC前端的200W/48V電源條件下，LLC諧振轉換器的效率在93%左右。通過同步整流，在該功率級下可以把效率提升至95%-96%。