您现在的位置是:首页 > 线性电源 > 技术解析

高功率密度快充及PD适配器电源结构(1):有源箝位反激变换器

时间:2018-05-17 来源:松哥电源

1、前言

本文引用地址: http://power.21ic.com//ldo/technical/201805/62114.html

快充及电源适配器通常采用传统的反激变换器结构,随着快充及PD适配器的体积进一步减小、功率密度进一步提高以及对于高效率的要求,传统的硬开关反激变换器技术受到很多限制。采用软开关技术工作在更高的频率,可以降低开关损耗提高效率,减小变压器及电容的尺寸降低电源体积,同时改善EMI性能,从而满足系统设计的要求,特别适合于采用超结结构的高压功率MOSFET或高压GaN器件的高功率密度快充及电源适配器。

传统的硬开关反激变换器功率开关管电压、电流应力大,变压器的漏感引起电压尖峰,必须采用无源RCD吸收电路进行箝位限制,RCD吸收电路的电阻R产生额外的功率损耗,降低系统效率,如图1所示。

如果将RCD吸收电路的电阻R去掉,同时将二极管换成功率MOSFET,这样就变成了有源箝位反激变换器,通过磁化曲线在第一、第三象限交替工作,将吸收电路的电容Cc吸收的电压尖峰能量,回馈到输入电压,从而实现系统的正常工作。

0.jpg

图1:传统的硬开关反激变换器

1.jpg

图2:有源箝位反激变换器

2、有源箝位反激变换器工作原理

非连续模式DCM有源箝位反激变换器电路结构及相关波形如图2、图3所示,图中的各个元件定义如下。

Lm:变压器初级激磁电感

Lr:变压器初级漏感

Lp:变压器初级总电感,Lp=Lm+Lr

n:变压器初级和次级的匝比,n=Np/Ns

Q1:主功率开关管,DQ1、CQ1为Q1寄生体二极管和寄生输出电容

Qc:箝位开关管,DQc、CQc为Qc寄生体二极管和寄生输出电容

Do:次级输出整流二极管

Cc:箝位电容

Cr:CQ1、CQc以及其它杂散谐振电容Cto总和,Cr=CQ1+CQc+Cto

Cc1:Cc1=Cc+CQ1+Cto

Vsw:Q1的D、S两端电压

Vin:输入直流电压

Vo:输出直流电压

VC:箝位电容电压

每个开关周期根据其工作状态可以分为8个工作模式,各个工作模式的状态及等效电路图分别讨论如下。

2.jpg

图3:有源箝位反激变换器波形(非连续模式DCM)

‍(1)模式1:t0-t‍1

在t0时刻,Q1处于导通状态,Qc、Do保持关断状态。Lp两端所加的电压为Vin,Lp激磁,其电流从0开始,随着时间线性上升。

 

3.jpg

图4:模式1(Q1导通,Qc、Do关断)

(2)模式2:t1-t‍2

在t1时刻,Q1关断,Qc、Do保持关断状态。Q1关断后,Lp和Cr谐振,激磁电流对CQ1充电,对CQc放电,Vsw电压谐振上升。

4.jpg

5.jpg

图5:模式2(Q1、Qc、Do关断)

在t1-t2中间某一时刻tm,对应的Vsw电压为Vin:① t1-tm期间,Lp所加电压为正,其电流谐振上升,但是上升斜率变得缓慢。② tm-t2期间,从tm时刻开始,Lp所加电压为负,其电流谐振下降。

(3)模式3:t‍2-t‍3

在t2‍时刻,Vsw的电压谐振上升到Vin+VC,VC=n•Vo,二极管DQc自然导通,Q1、Do保持关断状态。DQc导通后,Lp和Cc1谐振,激磁电流同时对Cc、CQ1充电,Vsw电压、VC电压谐振上升,Lp的电流继续谐振下降。

6.jpg

7.jpg

图6:模式3(DQc导通,Q1、Do关断)

在t2-t3期间任一时刻,开通Q‍c,由于DQc处于导通状态,其两端电压为0,因此Qc的开通就是零电压开通ZVS。

8.jpg

9.jpg

图7:QQc零电压开通ZVS

初级绕组电压:

VLm=VC•Lm/(Lr+Lm)

此过程中,VLm电压小于n•Vo,Do不导通。

(4)模式4:t3‍-t‍4

在t3时刻,VLm电压谐振上升到n•Vo时,Do导通,Qc保持导通状态,Q1保持关断状态。Do导通后,Lm两端电压箝位在n•Vo,Lm储存能量转移到次级绕组,向输出负载传送,其电流线性下降;同时,Lr和Cc1谐振,Lr的电流同时对Cc、CQ1充电,Vsw电压、VC电压继续谐振上升,Lr的电流谐振下降。

10.jpg

11.jpg

图8‍:模式4(Q‍Qc、Do导通,Q1关断)

(5)模式5:t4-t‍5

在t4时刻,Lr的电流谐振下降到0,Do、Qc保持导通状态,Q1保持关断状态。Lr的电流下降到0后,Lr和Cc1反向谐振,就是Cc对Lr反向激磁,Cc、CQ1放电,Vsw电压、VC电压谐振下降,Lr的电流从0开始反向谐振上升,到达反向的最大值后继续谐振,其反向电流的绝对值下降,而Lm继续向输出负载释放能量,电流保持线性下降。‍

12.jpg

13.jpg

图9:模式5(QQc、Do导通,Q1关断)

(6)模式6:t5-t‍6

在t5时刻,Lm的电流降低为0,Lm电感储存能量全部释放完毕,Do自然关断,Qc保持导通状态,Q1保持关断状态。Do关断后,输出反射电压n•Vo断开,此时,Lm又重新串联进入到谐振回路,Lp和Cc1谐振,Vc电压反向加在Lp,Cc放电对Lp反向激磁,Lm的电流过0后和Lr一起继续反向增加。

14.jpg

15.jpg

图10:模式6(QQc导通,Q1、Do关断)

在Do关断瞬间,Lr的电流有一个高频振荡换流的过程,在这个过程中,Lr的电流快速下降到几乎为0、和Lm电流相等的过程,其中一部分能量转送到输出负载,另一部分能量转移到Lm。

(7)模式7:t6-t‍7

在t6时刻,关断Qc,Do、Q1保持关断状态。Qc关断后,Lp和Cr谐振,Lp的电流对CQc充电,对CQ1放电。‍

16.jpg

17.jpg

图11:模式7(QQc、Q1、Do关断)

在t6‍-t7‍中间某一时刻tn,对应的Vsw电压为Vin:①t6-tn期间,Lp所加电压为负,其电流谐振下降,其反向电流的绝对值进一步增加。②tn-t7期间,从tn时刻开始,Lp所加电压为正,其电流谐振上升,其反向电流的绝对值降低。

(8)模式8:t7‍-t0‍‍

在t7时刻,CQ1放电到0,Vsw电压为0,D1自然导通续流,将Vsw电压箝位到0,Do、Qc保持关断状态。D1导通后,Lp两端所加的电压为Vin,Lp的电流从负值线性上升,其电流绝对值进一步降低,直到降低为0,完成一个开关周期。然后,Lp的电流继续正向激磁,从0开始正向线性上升,开始下一个开关周期。

18.jpg

19.jpg

图12:模式8(D1导通,Q1、Do关断)

在t7-t0期间任一时刻,开通Q1,由于D1‍处于导通状态,其两端电压为0,因此Q1的开通就是零电压开通ZVS。

20.jpg

图13:Q1零电压开通ZVS

‍ 3、 说明讨论

(1)有源箝位软开关反激变换器工作于非连续模式DCM,因此每个周期初级激磁电感的电流要到0。

主功率开关管Q1和箝位开关管Qc配置成半桥的电路结构,只有当Q1(Qc)的寄生体二极管先导通,然后再开通Q1(Qc),才能实现零电压软开关ZVS。

(2)从工作原理可以看到,当Q1关断后开始谐振转换时,谐振环每次只换一个元件,依次的顺序为:

Lp/Cr-->Lp/Cc1-->Lr/Cc1-->Lp/Cc1-->Lp/Cr

(3)只要Lp加正电压,起始电流为正,其电流线性增加;起始电流为负,其电流绝对值线性降低;只要Lp上加负电压,起始电流为正,其电流线性下降;起始电流为负,其电流绝对值线性增加。Lp所加的电压有发生正、负转换时,Lp电流的斜率也发生改化。

(4)Lp的负电流的能量并没有传输到输出,它只是为了实现Q1的零电压关断,因此,Lp的负电流形成环流,在变压器中产生铜损、铁(磁)损,同时在回路的电阻中产生导通损耗,影响系统的效率,因此要精确的控制Lp的负电流的大小。

在t7时刻,当Vsw电压为0时,若Lp的电流也为0,其效率最高,实际上这样的条件很难精确的控制。

(5)由于Cc>>CQ1+Cto,因此,Cc1==Cc。相对于开关周期,t1-t2、t2-t3时间非常短。Cc电容足够大,其纹波可以忽略,因此,t1-t6期间,Vsw的电压可以看成基本不变的平台,如下图所示,图中还标出了开关元件导通的顺序、谐振元件依次改变的顺序。

21.jpg

输出二极管换成MOSFET,则为次级同步整流。为了方便驱动,可以将同步MOSFET放在低端,如图所示。

22.jpg

图14:‍次级同步整流

换一批

延伸阅读

[资讯] 安森美便携式设备电源适配器荣获 2018年度“Top 10电源产品奖”

安森美便携式设备电源适配器荣获  2018年度“Top 10电源产品奖”

安森美半导体(ON Semiconductor)宣布NCP1568有源钳位反激(ACF)控制器和相应的NCP51530高速半桥驱动器获2018年度“Top 10电源产品奖”。该奖项由《今日电子》与《21IC中国电子网》联合举办,是中国电子业......

关键字:安森美 适配器 电源产品奖

[资讯] 世强联合silicon labs出品USB PD 快充解决方案 让充电效率提升一倍

世强联合silicon labs出品USB PD 快充解决方案 让充电效率提升一倍

随着消费类数码产品日趋走向轻薄、便携的方向,快充与无线充电成为从上游芯片原厂,到下游成品的研发制造的讨论热点,可以说市场上甚至可以预见到USB Type-C接口、USB PD快充的爆发。而针对快充的问题,中国电子行业最优秀的半导体&元器件技......

关键字:USB PD 快充 USB Type-C接口

[资讯] 河北工业大学研制新材料快充电池

河北工业大学研制新材料快充电池

近日,河北工业大学能源装备材料技术研究院新能源材料研究所教师王恭凯博士以第一作者和通讯作者的身份,在纳米能源领域著名期刊《Nano Energy》上发表了学术论文,首次报......

关键字:快充电池

[资讯] 新型快充电池被研发 充电几秒用一周

新型快充电池被研发 充电几秒用一周

还在为手机没电烦恼吗?美研究团队研发新电池可为您排忧解难。据法国《费加罗报》4月16日报道,美国研究人员研发出一种可弯曲、续航时间长、数秒即充满的超级电池。应用该款......

关键字:快充电池 超级电池

[资讯] 笔记本电源适配器十年前就是这样,为啥十年之后还是这样?

笔记本电源适配器十年前就是这样,为啥十年之后还是这样?

如果将1982年11月康柏推出的手提电脑视为最早的笔记本电脑雏形,那么笔记本从诞生至今已经陪伴我们走过了35个年头,作为推动人类发展的重要生产力工具,如今笔记本已经成为......

关键字:笔记本适配器

[趣科技] 真正符合人类思维方式的“黑科技”--三进制计算机

真正符合人类思维方式的“黑科技”--三进制计算机

相比之下,“三进制”逻辑更接近人类大脑的思维方式。因为在一般情况下,我们对问题的看法不是只有“真”和“假”两种答案,还有一种“不知道”。......

关键字:逻辑思维 二进制 三进制计算机

[趣科技] 让普通物体秒变智能!加州大学展示一款基于 WiFi的便携贴产品

让普通物体秒变智能!加州大学展示一款基于 WiFi的便携贴产品

“智能”联网设备可以让日常生活变得更加轻松,但它们通常需要搭配电池来使用。好消息是,加州大学圣迭戈分校的研究团队,刚刚展示了一款基于 WiFi、名叫 LiveTag 的解决方案。其采用低成本的标签打印方......

关键字:智能设备 WIFI

[新鲜事] 这家被指抄袭谷歌的红芯浏览器承认基于开源架构,仍称“有创新”

这家被指抄袭谷歌的红芯浏览器承认基于开源架构,仍称“有创新”

深陷“造假”风波的国产浏览器品牌红芯,再度发声。8月16日晚,红芯时代(北京)科技有限公司发布声明称:红芯浏览器内核是基于通用的浏览器内核架构(即Chromium开源项目,但不是Chrome浏览器)的基础上进行......

关键字:浏览器 谷歌 红芯浏览器

[真心话] 工程师中大热的的“技术型复合人才”究竟是什么?

工程师中大热的的“技术型复合人才”究竟是什么?

经过半年的工作和学习,突然想到以前在哪里听说,技术型复合人才比较抢手。单从技术角度看,我认为在任何科技领域,除了能够出色完成自己手中的工作外,还能帮助两个、多个研发人员甚至整个团队解决从理论、方案到工程实现中所面临各种难题,这样的人才应该能......

关键字:工程师
发表评论 共有条评论
用户名: 验证码:

精确稳定 让平均电流法帮你实现模块电源并联

精确稳定 让平均电流法帮你实现模块电源并联

今天要为大家介绍的是平均电流法,这种方法能够精确稳定的帮助工程师实现电源模块的并……

九款最简单的电子镇流器电路图原理图分析

九款最简单的电子镇流器电路图原理图分析

从工作原理而言,电子镇流器是一个电源变换电路,它将交流输入市电电源的波形、频率和……

干货|交流接触器常用接线电路图和实物图

干货|交流接触器常用接线电路图和实物图

今天分享一些电气知识中的交流接触器常用接线电路图和实物图,从简单到复杂。

……

项目外包