准谐振和谐振转换-两种提高电源效率的技术

全球对能源成本上涨、环保和能源可持续性的关注正在推动欧盟、美国加州等地的相关机构相继推出降低电子设备能耗的规范。交流输入电源，不论是独立式的还是集成在电子设备中的，都会造成一定的能源浪费。首先，电源的效率不可能是100% 的，部分能量在电源大负载工作时被浪费掉。其次，当负载未被使用时，连接交流线的电源会以待机功耗的形式消耗能量。

近年来，对电源效率等级的要求日趋严格。最近，80% 以上的效率已成为了基本标准。新倡议的能效标准更是要求效率达到87%及以上。此外，只在满负载下测量效率的老办法已被淘汰。目前的新标准涉及了额定负载的25%、50%、75% 和 100% 这四个点的四点平均水平。同样地，最大允许待机功耗也越来越受到限制，欧盟提议所有设备的待机功耗均应低于500mW，对于我们将讨论的电视机，则小于200mW。

除专家级的高效率电源设计领域之外，电子设备中所用的功率范围从1W 到 500W的交流输入电源 ，一直以来主要采用两种拓扑：标准 (或硬开关) 反激式 (flyback) 拓扑，和双开关正激拓扑。这两种拓扑都很易于理解，而它们存在的问题，以及如何予以避免，业界都已有充分的认识。

不过，随着对效率的要求不断提高，这两种拓扑将逐渐为三种新的拓扑所取代：准谐振反激式拓扑、LLC谐振转换器拓扑和不对称半桥拓扑。准谐振反激式拓扑已被成功用于最低功率级到200W以上的范围。在70W-100W范围，LLC谐振转换器比准谐振反激式拓扑更有效。而在这两个功率级之上，不对称半桥转换器也很有效。

工作原理

准谐振和谐振拓扑都能够降低电路中的导通开关损耗。图1对比了连续传导模式 (CCM) 反激式、准谐振反激式和 LLC 谐振转换器的导通开关波形。

所有情况下的开关损耗都由下式表示：

这里，PTurnOnLoss 为开关损耗；ID 为 漏极电流；VDS 是开关上的电压；COSSeff 是等效输出电容值(包括杂散电容效应)；tON 是导通时间，而fSW 是开关频率。

a) CCM反激式转换器 b) 准谐振反激式转换器 c)LLC谐振转换器

图1 CCM反激式、准谐振反激式和LLC谐振转换器的开关波形比较

CCM反激式转换器的开关损耗最高。对于输入电压范围很宽的设计，VDS 在500V – 600V左右，是输入电压VDC 与反射输出电压 VRO 之和。进入不连续传导模式 (DCM) 时，漏电流降为零，开关损耗的第一项也随之降为零。在准谐振转换器中，若在电压波形的第一个 (或后一个) 波谷时导通，可进一步降低损耗。图中虚线所示为准谐振转换器在第一个谷底导通时的漏极波形。

如果准谐振反激式转换器的匝数比为 20，输出电压为5V，则 VRO 等于 100V，因此对于 375V 的总线电压，开关将在 275V 时导通。若有效输出电容 COSSeff 为73 pF，开关频率 fSW 为 66 kHz，则损耗为0.18W：

对于标准CCM反激式转换器，开关与漏极电压振铃不同步。在最坏的情况下，漏极电压大于VDC

那么损耗将为0.54W。故对于非连续模式反激式转换器，功耗在0.18W 和 0.54W之间波动，具体取决于时序。影响时序的因素有输入电压和输出电流，两者的优化组合可提高效率，反之会降低效率。对非连续模式反激式转换器，这常表现为满负载效率曲线的异常变化。这时，输入电压改变而输出电流 (及电压) 恒定。效率曲线随开关点前移而显示出波动。初级端电感的批次差异也会显示出变化，从而改变效率。

谐振转换器采用了一种不同的技术来降低开关损耗。让我们回头再看看导通损耗公式，由式中可见，如果VDS设为零，就根本没有损耗，这个原理被称为零电压开关 (ZVS)，用于谐振转换器，尤其是LLC谐振转换器，如图1所示。

通过让电流反向流经开关，可实现零电压开关。当开关电流反向时，体 (body) (或外部反向并联) 二极管把电压钳位在一个低值，例如1V，这远低于前面提到的反激式转换器的400V。

谐振转换器利用一个谐振电路来产生延时。两个MOSFET产生方波，并加载在谐振电路上。通过选择合适的谐振电路，并把工作点设置在谐振点之上，流入谐振电路的电流可以非常接近正弦波，因为高阶分量一般都大为衰减。正弦电流波形滞后于电压波形，因而当电压波形达到其过零点时，电流仍为负，从而实现零电压开关。

结构

图2所示分别为准谐振转换器的电路示意图及LLC谐振转换器的模块示意图。准谐振转换器的电路示意图看起来非常类似于反激式转换器，只是它带有一个帮助确定电压谷底时序的检测电路。

图2：准谐振反激式转换器的电路图及LLC谐振转换器的模块示意图

LLC谐振转换器的模块示意图与双开关正激转换器截然不同。其之所以名曰“LLC”，是因为谐振电路的工作由3个组件来完成：