为节能式电源选择正确的拓扑

文章摘要：准谐振反激式拓扑使用一个低端MOSFET；而另外两种拓扑在一个半桥结构中需要两个MOSFET。因此，在功率级较低时，准谐振反激式是最具成本优势的拓扑。在功率级较高时，变压器的尺寸增加，效率和功率密度下降，这时往往考虑采用两种零电压开关拓扑。系统设计会受到四个因素所影响：分别是输入电压范围、输出电压、是否易于实现同步整流，以及漏电感的实现。图2比较了两种拓扑的增益曲线。为便于说明，我们假设需要支持的输入电压为110V 和 220V。对于非对称半桥拓扑，这不是问题。在我们设定的工作条件下，220V 和110V 时其增益分别为0.2和0.4 。在220V时，效率较低，因为磁化DC电流随占空比减小而增

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准谐振反激式拓扑使用一个低端MOSFET；而另外两种拓扑在一个半桥结构中需要两个MOSFET。因此，在功率级较低时，准谐振反激式是最具成本优势的拓扑。在功率级较高时，变压器的尺寸增加，效率和功率密度下降，这时往往考虑采用两种零电压开关拓扑。

系统设计会受到四个因素所影响：分别是输入电压范围、输出电压、是否易于实现同步整流，以及漏电感的实现。

图2比较了两种拓扑的增益曲线。为便于说明，我们假设需要支持的输入电压为110V 和 220V。对于非对称半桥拓扑，这不是问题。在我们设定的工作条件下，220V 和110V 时其增益分别为0.2和0.4 。在220V时，效率较低，因为磁化DC电流随占空比减小而增大。对于LLC谐振转换器来说，最大增益为1.2，要注意的是满负载曲线非常接近谐振。0.6的增益将导致频率极高，系统性能很差。总言之，LLC 转换器不适合于较宽的工作范围。通过对漏电感进行外部调节，LLC 转换器可以用于欧洲的输入范围，但代价是磁化电流较大；若采用了PFC前端，它的工作最佳。而非对称半桥结构在输入端带有PFC级，因此电路可工作在很宽的输入电压范围上。

 

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图2：非对称半桥和LLC转换器的增益曲线

对于24V以上的输出电压，我们建议采用LLC谐振转换器。高的输出二极管电压会致使非对称半桥转换器效率降低，因为额定电压较高的二极管，其正向压降也较高。在24V以下，非对称半桥转换器则是很好的选择。因为这时LLC转换器的输出电容纹波电流要大得多，其随输出电压降低而变大，从而增加解决方案的成本和尺寸。

上述两种拓扑都可以采用同步整流。对非对称半桥拓扑，这实现起来非常简单 (参见飞兆半导体应用说明AN-4153)。对LLC控制器，需要一个特殊的模拟电路来检测流入MOSFET的电流，如果开关频率被限制为第二个谐振频率 (图2中的100kHz)，该技术是比较简单的。

最后，两种设计都依赖变压器的漏电感：在LLC转换器中用来控制增益曲线 (图2)；而在非对称半桥转换器则用以确保轻载下的软开关。对于大多数应用，我们都建议采用两个单独的电感来达到此目的。漏电感是变压器中不容易控制的一个参数。此外，要实现一个不同寻常的漏电感，需要一个非标准的线圈管，这增加了成本。对于非对称半桥结构，如果采用标准变压器，谐振开关速度至少是开关频率的10倍，从而产生更大的损耗。总之，对LLC转换器而言，建议再采用一个普通铁氧体电感；而对非对称半桥转换器，建议只使用一个高频铁氧体电感。

图3显示了非对称半桥转换器的电路示意图。该图非常类似于LLC谐振转换器，只有一点不同：LLC谐振转换器不需要输出电感，以及非对称半桥控制器需要设置频率而非PWM控制。

 

图3：基于FSFA2100的非对称半桥转换器

192W/24V 非对称半桥转换器的效率在 93% 左右。AN-4153 360W/12V 倍流版在额定负载为20%-100% 时也有超过93%的满负载效率。

在包含 PFC 前端的 200W/48V 电源条件下，LLC 谐振转换器的效率在 93% 左右。通过同步整流，在该功率级下可以把效率提升至95%-96%。

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