如何設計高能效、低EMI準諧振適配器

準方波諧振轉換器也稱準諧振(QR)轉換器，廣泛用于電源適配器。準方波諧振的關鍵特征是金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)在漏極至源極電壓(VDS)達到其最低值時導通，從而減小開關損耗及改善電磁干擾(EMI)信號。

　　準諧振轉換器采用不連續導電模式(DCM)工作時，VDS必須從輸入電壓(Vin)與反射電壓(Vreflect)之和降低到Vin。變壓器初級電感(Lp)與節點電容(Clump，即環繞MOSFET漏極節點的所有電容組合值，包括MOSFET電容和變壓器寄生電容等)構成諧振網絡，Lp與Clump相互振蕩，振蕩半周期以公式計算。

　　然而，自振蕩準諧振轉換器在負載下降時，開關頻率上升；這樣，在輕載條件下，如果未限制開關頻率，損耗會較高，影響電源能效；故必須限制開關頻率。

　　限制開關頻率的方法有兩種。第一種是傳統準諧振轉換器所使用的帶頻率反走的頻率鉗位方法，即通過頻率鉗位來限制開關頻率。但在輕載條件下，系統開關頻率達到頻率鉗位限制值時，出現多個處于可聽噪聲范圍的谷底跳頻，導致信號不穩定。

　　為了解決這個問題，就出現第二種方法，也就是谷底鎖定，即在負載下降時，在某個谷底保持鎖定，直到輸出功率大幅下降，然后改變谷底。輸出功率降低到某個值時，進入壓控振蕩器(VCO)模式，參見圖1。具體而言，反饋(FB)比較器會選定谷底，并將信息傳遞給計數器，FB比較器的磁滯特性就鎖定谷底。這種方法在系統負載降低時，提供自然的開關頻率限制，不會出現谷底跳頻噪聲，且不降低能效。

圖1：谷底鎖定方法示意圖。

　　最新準諧振控制器NCP1379/NCP1380概覽

　　NCP1379和NCP1380是安森美半導體新推出的兩款高性能準諧振電流模式控制器，特別適合適配器應用。作為應用上述第二種方法的控制器，NCP1379和NCP1380包括兩種工作模式：一為準諧振電流模式，帶谷底鎖定功能，能消除噪聲；二為VCO模式，用于在輕載時提升能效。這兩款器件還提供多種保護功能，如過載保護(OPP)、軟啟動、短路保護、過壓保護、過溫保護及輸入欠壓保護。

　　就工作原理而言，在帶谷底鎖定的準諧振模式，控制器根據反饋電壓鎖定至某個谷底(最多到第4個谷底)，峰值電流根據反饋電壓來調整，提供所需的輸出功率。這樣，就解決了準諧振轉換器的谷底跳頻不穩定問題，且與傳統準諧振轉換器相比，提供更高的最小開關頻率及更低的最大開關頻率，還減小變壓器尺寸。

　　而在反饋電壓小于0.8 V(輸出功率減小)或小于1.4 V(輸出功率上升) 時，控制器進入VCO模式，此時峰值電流固定，為最大峰值電流的17.5%，而開關頻率可變，由反饋環路設定。

　　在保護功能方面，這兩款器件以讀取輔助繞組電壓結合提供過零檢測(ZCD)和過載保護功能(參見圖2)，其中在MOSFET關閉期間(輔助繞組正電壓)使用ZCD功能，而在MOSFET導通期間(輔助繞組負電壓)使用OPP功能，能夠根據ZCD電壓減小峰值電流。

圖2：NCP1379/NCP1380結合提供ZCD和OPP功能。

　　此外，這兩款控制器內置80 ms定時器，用于短路驗證。還提供繞組短路保護功能，以額外的電流感測(CS)比較器及縮短時間的前沿消隱(LEB)來檢測繞組短路，當電流感測電壓(VCS)達到電流感測電壓閾值(VILIM)的1.5倍后就關閉控制器。

　　值得一提的是，NCP1380提供A、B、C和D等不同版本，用以滿足客戶不同的保護需求。例如，四個版本均提供過壓保護功能，而其中NCP1380A和NCP1380B提供過溫保護，NCP1380C和NCP1380D提供輸入過壓保護；另外，NCP1380A和NCP1380C提供過流保護閂鎖，而NCP1380B和NCP1380D提供過流保護自動恢復功能。此外，NCP1380A和NCP1380B在同一引腳上結合了過壓保護和過溫保護功能，而NCP1380B、NCP1380D及NCP1379在同一引腳上結合了過壓保護和輸入欠壓保護功能，這樣就減少了外部元件需求。

　　應用設計過程

　　假定我們的目標電源規格為：輸入電壓85至265 Vrms，輸出電壓19 V，輸出功率60 W，最小開關頻率45 kHz(輸入電壓為100 Vdc時)，采用600 V MOSFET，230 Vrms時待機能耗低于100 mW。這樣，我們可將應用設計過程分解為多個步驟。

　　1) 準諧振變壓器參數計算

　　匝數比：??

　　初級峰值電流：

　　初級電感：

　　最大占空比：

　　初級均方根(RMS)電流：

　　次級均方根(RMS)電流：

　　2) 預測開關頻率

　　負載下降時，控制器會改變谷底。問題在于如何才能預測負載變化時開關頻率怎樣變化。實際上，功率增加或減小時，控制器用以改變谷底的反饋(FB)電平也不同，正是借此特性提供谷底鎖定。知道反饋電平閾值后，我們就能夠計算開關頻率的變化及相應的輸出功率。通過手動計算或使用Mathcad電子表格，我們就可以解極出最大開關頻率。

圖3：預測開關頻率。