準方波諧振電源的谷底跳頻問題解決方案v

本文除了簡要介紹準諧振電源，還將進一步闡釋谷底跳頻問題，介紹解決這問題的谷底鎖定技術，并分享實驗結果支持理論研究的的實際應用案例。

　　準方波信號簡介

　　準方波諧振電源通常也稱作準諧振電源，廣泛用于筆記本適配器或電視電源。這種架構的主要特征就是零電壓開關(ZVS)工作，這種技術能降低開關損耗，幫助弱化電磁干擾(EMI)信號。變壓器去磁完成后，在電壓位于MOSFET漏極節點處存在的電感電容(LC)網絡諧振導致的自由振蕩(即“谷底開關”)的最低值時導通MOSFET，從而實現ZVS工作。這個網絡實際上由初級電感Lp和漏極節點處的寄生電容Clump組成。

　　圖1：MOSFET在谷底導通

　　準諧振電源的開關頻率取決于負載條件，本質上變化幅度很大。不利的是，負載降低時開關頻率增加，導致輕載能效欠佳，因為開關損耗的預算增加了。要改善輕載能效，必須找出方法來將開關頻率鉗位降至更低。

　　傳統準諧振轉換器

　　傳統準諧振控制器包含內部定時器，防止自激(free-running)頻率超過上限。頻率限制值通常固定為125 kHz，從而使頻率保持在CISPR-22 EMI規范的150 kHz起始點頻率之下。下圖是帶有8 ?s定時器以鉗位開關頻率的準諧振控制器的內部架構簡圖。

　　圖2：傳統準諧振控制器電路圖。

　　為了導通MOSFET，不僅要以過零檢測(ZCD)比較器來檢測谷底，而且8 us定時器還必須已經結束計時(圖2)。如果在8 ?s的時間窗口內出現谷底，就不允許MOSFET啟動。因此，功率MOSFET的關閉時間只能通過一個自由振蕩周期內的不同階躍(STep)來改變。

　　在低線路電壓和高輸出負載時，變壓器的去磁時間較長，會超過8 ?s：控制器將在第一個谷底導通MOSFET。然而，隨著功率需求降低，去磁時間縮短，而當去磁時間縮短至低于8 ?s時，頻率就被鉗位。在這種情況下，變壓器的磁芯將被指示在8 ?s定時器結束之前復位(表示次級端電流已經到零及內部磁場已返回至零)。MOSFET不會立即重啟，8 ?s時間窗口會使MOSFET保持在阻斷狀態，而某些谷底會被忽略。如果輸出功率電平使得逐周期能量平衡所需關閉時間降到兩個鄰近谷底之間，電源將以大小不等的開關周期工作：這就是所謂的谷底跳頻。較長的開關周期會被較短的開關周期補償，反之亦然。在圖3中，2或3個周期的第一種谷底開關之后，跟隨的是1個周期的第二種谷底開關。谷底跳頻現象使開關頻率產生很大變化，而這變化會被大峰值電流跳變補償。而電流跳變導致變壓器中產生可聽噪聲。

　　圖3：谷底跳頻：控制器頻率在兩個鄰近谷底之間來回跳動

　　單獨鉗位開關頻率可以解決輕輸出負載條件下的不穩定問題，但不會改善該特定工作點的能效。因此，傳統準諧振轉換器中，頻率鉗位要么涉及跳周期電路，要么涉及頻率反走電路。

頻率反走

　　頻率反走電路通常是壓控振蕩器(VCO)，在頻率鉗位時降低開關頻率(圖4)。通過降低工作頻率，開關損耗也得以降低，輕載能效相應改善。然而，在頻率反走模式期間，MOSFET導通事件仍然與谷底檢測同步：控制器頻率在兩個鄰近谷底之間來回跳動時發生谷底跳頻，同樣導致準諧振電源中出現可聽噪聲。

　　圖4：帶頻率反走的準諧振模式

　　這種技術帶來的另一項約束就是滿載和輸入電壓較低時最低頻率的選擇。實際上，頻率鉗位要求選擇較低的最低頻率，而且這個值必須高于可聽頻率范圍(通常約30 kHz)。由于這較低的最低頻率，初級電感值因而增加以提供必要的輸出功率，變壓器尺寸也相應地增大。

　　解決谷底跳頻問題

　　一種避免谷底跳頻問題的新方案，是在輸出負載變化時，從某個谷底位置變到下一個/前一個