一种准谐振反激式控制器介绍
1 前言
电源适配器(power adapter)是小型便携式电子设备及电子电器的供电电源变换设备，按其输出类型可分为交流输出型和直流输出型;按连接方式可分为插墙式和桌面式。广泛配套于电话子母机、游戏机、语言复读机、随身听、笔记本电脑、蜂窝电话等设备中。
表1显示了针对外部电源适配器的最新的epa 2.0 level v标准。该表重点介绍了平均能效和空载功耗以及轻载功耗。
表1针对外部电源适配器的epa 2.0 level v标准
为此，英飞凌针对绿色电源适配器解决方案开发出全新具备数字降频、主动突发模式和折返校正等特性qr pwm ic ice2qs03g。
2 ccm dcm与qr工作模式对照
反激式转换器广泛应用于交流/直流电源，尤其适用于输出功率低于150w的电源。单开关反激式转换器具备三种基本工作模式：连续导通模式(ccm)、断续导通模式(dcm)和准谐振(qr)模式。这三种工作模式都具备各自的优缺点。
2.1 连续导通模式
图1a是典型的ccm工作波形。 转换器的输入功率是：
(1)
由于电感器存储的电能不完全转移到二次侧，因此在相同条件下，ccm工作模式所需的电感通常高于dcm工作模式所需的电感。此外，更高的电感意味着主侧开关电流具备较低的交流/直流转换率，因此获得更低的导通损耗。不过，随着原边电感值的升高，变压器的磁损耗也会增大，因此在开关导通损耗和变压器导通损耗之间需折衷考虑。
此外，在占空比大于0.5的条件下，为避免次谐波振荡，需要加入斜率补偿功能。由于高压输入下，导通时间较短，高压下的补偿值低于低压下的补偿值。这将使高压下的最大输出功率远远高于低压下的最大输出功率。实际上，采用ccm工作模式的smps ic针对某个具体的设计只具备一条补偿曲线。如果设计发生变化，最大功率限制性能也会随之变化。
2.2 断续导通模式
图1b是采用d cm工作模式的反激式转换器的典型工作波形。 该转换器的输入功率是：
(2)
如上所述，在mosfet导通期间电感存储的电能在mosfet关断期间完全转移至次侧。最大功率只与电感、开关频率和峰值电流有关。对于采用固定频率的设计，在不同输入电压条件下，很容易通过使最大峰值电流保持不变来限制系统的最大输入功率。
2.3 自由运行准谐振模式
图1c是 在qr工作模式下的典型工作波形。该转换器的输入功率是：
(3)
在变压器二次侧电流为零时，原边主电感和漏源及线路的寄生电容发生谐振，功率开关只在漏源电压的最低点开通。在这种条件下，开关频率由输出负载和输入电压决定。如果峰值电流限制保持不变，在高输入电压条件下，开关频率将大幅提高。这将导致在高压下很高的最大输入功率。
图1反激式转换器在不同工作模式下的典型工作波型
3 ice2qs03g 特性
由于导通电压更低，未加限频的qr工作模式虽然具备较低的开通损耗。但是，在轻载条件下，开关频率很高，效率下降的很快。因此，在这些条件下，需要限制开关频率。英飞凌的数字降频(获得专利)概念由此被开发出来。
3.1 数字降频概念
对于qr工作模式而言，开关周期包括三个部分：导通时间(ton)、关断时间(toff)和半谐振周期(tres)。根据变压器主侧电感器的伏特-秒平衡，ton和toff 可利用(4) 和 (5)等式计算，谐振周期利用(6)等式计算。在(6)等式中，cds 为mosfet的漏-源极等效电容。
(4)
(5)
(6)
这就解释了为什么当负载减小或输入电压升高的情况下，开关频率会提高。这是开关电源所不希望见到的，因为高开关频率会导致高开关损耗。为了限制开关频率，英飞凌开发出数字降频方法，确保不在第一个谐振谷点，而是在第二个、第三个、甚至在第七个谷点进行操作——这主要取决于负载条件。
事实上，ice2qs03g的内部有一个寄存器，称为zc计数器。该计数器可决定在哪个谷点打开mosfet。通过监控反馈电压可调节寄存器的值。当负载电流变小时，可通过控制回路降低反馈电压，从而提高zc计数器值，降低开关频率。当负载电流增大时，zc计数器值将变小。表3详细介绍了zc计数器的变化的工作原理，图2通过三个例子，说明zc计数器如何随着反馈电压变化而变化。
由于采用可变zc计数器和谷底开通，当输出负载降低时，转换器的实际开关频率会下降，如图3所示。
表3 zc调节方法
图 2 数字降频
图注：clock: 时钟;up/down counter: 上/下计数器; case1: 例1;case 2 : 例2;case 3: 例3
图 3 基本qr与英飞凌qr的开关频率对照
图注：switching frequency: 开关频率;active burst mode: 主动突发模式;free-running qr: 自由运行qr;output power: 输出功率
3.2 主动突发模式(已获专利)
在轻载条件下，主要损耗是开关损耗和变压器磁损耗。两者都与开关频率有关。突发模式和跳周期模式是广泛采用的两种方法。通过采用突发模式和跳周期模式降低轻载开关频率，可大幅提高能效。
图4为主动突发模式的运行情况。要想进入突发模式，必须满足三个条件。第一，反馈电压必须低于预设的阈值vfbeb——设置进入突发模式的功率。第二，zc上/下计数器的值必须等于7，确保转换器处于轻载条件。最后，屏蔽时间应为24毫秒，避免由于一些可能出现的瞬变引起的干扰。
若要退出突发模式，反馈电压应高于预设的阈值vfblb。在主动突发模式运行过程中，当反馈电压高于v fbbon时，ic将启动开关操作。当反馈电压低于vfbboff时，ic将停止开关操作。
vfbboff 为3.0v，vfbbon 为3.6v。该电压阈值远高于传统突发模式的阈值，可节省ic和反馈回路光电耦合器的能耗。由于其具备较高的电压电平，因此具备出色的抗噪性能。相对于突发模式，这种运行更加稳定，从而实现更高的能效。
图4 主动突发模式运行：enter bu rst: 进入突发模式;burst on: 突发模式打开;burst off: 突发模式关闭;leave burst: 退出突发模式，current limit level during burst mode: 在突发模式运行过程中的电流限值水平
3.3 最大功率限制(带折返校正功能)
pin 与 ipk 和 fsw成比例， 而ipk 受电流采样限值vcs的限制。根据(4)等式，我们可以看到fsw 与vin成比例。当线路电压升高时，转换器输入功率会变得很大。当线路电压升高时，需要限制电流采样水平，从而限制最大输入功率。对于ice2qs03g而言，可通过zc管脚输出的电流获得输入电压信息。这是因为，辅助绕组可感应与输入电压成比例的负电压。由于zc管脚在内部被钳位到-0.3v，因此zc管脚的输出电流与输入电压成比例，如等式(12)所示。通过调节vcs值，可有效限制最大输入功率。图5为检测电路。该ic采用了数字比较电路。图6为最大vcs限值vs输入电压(与izc成正比)。
(12)
图 5折返校正检测
图注：foldback point correction block: 折返校正块;current limitation: 电流限制
图 6 vcsmax vs 输入线路电压
3.4 损耗计算
表4为65w适配器在115v和 230v(交流)条件下的各种损耗分布情况
表 4 损耗分布
图注：loss distribution: 损耗分布;power: 功率; loss name: 损耗名称
4 结论
本文对反激式转换器的结论是，无论在满负载、中等负载和轻负载条件下，具备数字降频特性的qr工作模式都可获得极高的能效。利用主动突发模式特性，可将在265v(交流)输入电压条件下的待机功耗限制在100mw以下。这使设计可轻而易举地满足相关标准要求，例如epa2.0 level v标准。
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表1显示了针对外部电源适配器的最新的epa 2.0 level v标准。该表重点介绍了平均能效和空载功耗以及轻载功耗。
表1针对外部电源适配器的epa 2.0 level v标准
为此，英飞凌针对绿色电源适配器解决方案开发出全新具备数字降频、主动突发模式和折返校正等特性qr pwm ic ice2qs03g。
2 ccm dcm与qr工作模式对照
反激式转换器广泛应用于交流/直流电源，尤其适用于输出功率低于150w的电源。单开关反激式转换器具备三种基本工作模式：连续导通模式(ccm)、断续导通模式(dcm)和准谐振(qr)模式。这三种工作模式都具备各自的优缺点。
2.1 连续导通模式
图1a是典型的ccm工作波形。 转换器的输入功率是：
(1)
由于电感器存储的电能不完全转移到二次侧，因此在相同条件下，ccm工作模式所需的电感通常高于dcm工作模式所需的电感。此外，更高的电感意味着主侧开关电流具备较低的交流/直流转换率，因此获得更低的导通损耗。不过，随着原边电感值的升高，变压器的磁损耗也会增大，因此在开关导通损耗和变压器导通损耗之间需折衷考虑。
此外，在占空比大于0.5的条件下，为避免次谐波振荡，需要加入斜率补偿功能。由于高压输入下，导通时间较短，高压下的补偿值低于低压下的补偿值。这将使高压下的最大输出功率远远高于低压下的最大输出功率。实际上，采用ccm工作模式的smps ic针对某个具体的设计只具备一条补偿曲线。如果设计发生变化，最大功率限制性能也会随之变化。
2.2 断续导通模式
图1b是采用d cm工作模式的反激式转换器的典型工作波形。 该转换器的输入功率是：
(2)
如上所述，在mosfet导通期间电感存储的电能在mosfet关断期间完全转移至次侧。最大功率只与电感、开关频率和峰值电流有关。对于采用固定频率的设计，在不同输入电压条件下，很容易通过使最大峰值电流保持不变来限制系统的最大输入功率。
2.3 自由运行准谐振模式
图1c是 在qr工作模式下的典型工作波形。该转换器的输入功率是：
(3)
在变压器二次侧电流为零时，原边主电感和漏源及线路的寄生电容发生谐振，功率开关只在漏源电压的最低点开通。在这种条件下，开关频率由输出负载和输入电压决定。如果峰值电流限制保持不变，在高输入电压条件下，开关频率将大幅提高。这将导致在高压下很高的最大输入功率。
图1反激式转换器在不同工作模式下的典型工作波型
3 ice2qs03g 特性
由于导通电压更低，未加限频的qr工作模式虽然具备较低的开通损耗。但是，在轻载条件下，开关频率很高，效率下降的很快。因此，在这些条件下，需要限制开关频率。英飞凌的数字降频(获得专利)概念由此被开发出来。
3.1 数字降频概念
对于qr工作模式而言，开关周期包括三个部分：导通时间(ton)、关断时间(toff)和半谐振周期(tres)。根据变压器主侧电感器的伏特-秒平衡，ton和toff 可利用(4) 和 (5)等式计算，谐振周期利用(6)等式计算。在(6)等式中，cds 为mosfet的漏-源极等效电容。
(4)
(5)
(6)
这就解释了为什么当负载减小或输入电压升高的情况下，开关频率会提高。这是开关电源所不希望见到的，因为高开关频率会导致高开关损耗。为了限制开关频率，英飞凌开发出数字降频方法，确保不在第一个谐振谷点，而是在第二个、第三个、甚至在第七个谷点进行操作——这主要取决于负载条件。
事实上，ice2qs03g的内部有一个寄存器，称为zc计数器。该计数器可决定在哪个谷点打开mosfet。通过监控反馈电压可调节寄存器的值。当负载电流变小时，可通过控制回路降低反馈电压，从而提高zc计数器值，降低开关频率。当负载电流增大时，zc计数器值将变小。表3详细介绍了zc计数器的变化的工作原理，图2通过三个例子，说明zc计数器如何随着反馈电压变化而变化。
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表3 zc调节方法
图 2 数字降频
图注：clock: 时钟;up/down counter: 上/下计数器; case1: 例1;case 2 : 例2;case 3: 例3
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图注：switching frequency: 开关频率;active burst mode: 主动突发模式;free-running qr: 自由运行qr;output power: 输出功率
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图4为主动突发模式的运行情况。要想进入突发模式，必须满足三个条件。第一，反馈电压必须低于预设的阈值vfbeb——设置进入突发模式的功率。第二，zc上/下计数器的值必须等于7，确保转换器处于轻载条件。最后，屏蔽时间应为24毫秒，避免由于一些可能出现的瞬变引起的干扰。
若要退出突发模式，反馈电压应高于预设的阈值vfblb。在主动突发模式运行过程中，当反馈电压高于v fbbon时，ic将启动开关操作。当反馈电压低于vfbboff时，ic将停止开关操作。
vfbboff 为3.0v，vfbbon 为3.6v。该电压阈值远高于传统突发模式的阈值，可节省ic和反馈回路光电耦合器的能耗。由于其具备较高的电压电平，因此具备出色的抗噪性能。相对于突发模式，这种运行更加稳定，从而实现更高的能效。
图4 主动突发模式运行：enter bu rst: 进入突发模式;burst on: 突发模式打开;burst off: 突发模式关闭;leave burst: 退出突发模式，current limit level during burst mode: 在突发模式运行过程中的电流限值水平
3.3 最大功率限制(带折返校正功能)
pin 与 ipk 和 fsw成比例， 而ipk 受电流采样限值vcs的限制。根据(4)等式，我们可以看到fsw 与vin成比例。当线路电压升高时，转换器输入功率会变得很大。当线路电压升高时，需要限制电流采样水平，从而限制最大输入功率。对于ice2qs03g而言，可通过zc管脚输出的电流获得输入电压信息。这是因为，辅助绕组可感应与输入电压成比例的负电压。由于zc管脚在内部被钳位到-0.3v，因此zc管脚的输出电流与输入电压成比例，如等式(12)所示。通过调节vcs值，可有效限制最大输入功率。图5为检测电路。该ic采用了数字比较电路。图6为最大vcs限值vs输入电压(与izc成正比)。
(12)
图 5折返校正检测
图注：foldback point correction block: 折返校正块;current limitation: 电流限制
图 6 vcsmax vs 输入线路电压
3.4 损耗计算
表4为65w适配器在115v和 230v(交流)条件下的各种损耗分布情况
表 4 损耗分布
图注：loss distribution: 损耗分布;power: 功率; loss name: 损耗名称
4 结论
本文对反激式转换器的结论是，无论在满负载、中等负载和轻负载条件下，具备数字降频特性的qr工作模式都可获得极高的能效。利用主动突发模式特性，可将在265v(交流)输入电压条件下的待机功耗限制在100mw以下。这使设计可轻而易举地满足相关标准要求，例如epa2.0 level v标准。
三星Galaxy Buds+新增了Jennie Red和全新粉红配色售价为150美元
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