第20章 准谐振电源原理资料
准谐振反激式电源原理(NCP1207 P38)
Keywords: quasi-resonant,switching power supply, flyback, NCP1207
II
目
录
摘要 ............................................................................................................................................I Abstract .................................................................................................................................. II 第1章 绪论 ............................................................................................................................ 1 1.1.1 开关电源的发展 ................................................................................................. 1 1.1.2 准谐振开关电源的优点[3] .................................................................................. 2 1.1.3 准谐振开关电源的缺点[3] .................................................................................. 3 1.2 设计要求 ...................................................................................................................... 3 1.3 完成设计方案 .............................................................................................................. 4 1.3.1 DC-DC 主回路拓扑............................................................................................. 4 1.3.2 控制方法及实现方案 ......................................................................................... 4 1.3.3 提高效率的方法及实现方案.............................................................................. 4 第 2 章主电路设计 .................................................................................................................... 5 2.1 准谐振开关电源的基本原理[4] .................................................................................... 5 2.2 输入电路 ...................................................................................................................... 7 2.2.1 输入电路的选择 ................................................................................................. 7 2.2.2 主要参数计算..................................................................................................... 7 2.3 变换电路 ...................................................................................................................... 9 2.3.1 变压器设计......................................................................................................... 9 2.2.2 开关管选用....................................................................................................... 14 2.2.3 谐振电容 .......................................................................................................... 14 2.4 缓冲电路 ..................................................................................................................... 15 2.4.1 缓冲电路原理................................................................................................... 15 2.4.2 参数计算 .......................................................................................................... 16 2.5 输出电路 .................................................................................................................... 18 2.5.1 输出整流器的选择 ........................................................................................... 18 2.5.2 输出滤波电路设计 ........................................................................................... 19 第3章 控制电路设计 .......................................................................................................... 20 3.1 控制芯片 NCP1207 [5] ................................................................................................ 20 3.2 过电压保护电路和磁通复位检测电路 ...................................................................... 22 3.4 过电流保护电路 ........................................................................................................ 23 3.5 电压反馈电路 ............................................................................................................ 24
准谐振开关电源的设计
准谐振开关电源的设计1.引言准谐振开关电源是一种采用谐振电路来驱动开关管的电源设计。
通过控制开关管的导通时间和关断时间，实现谐振振荡，从而提供稳定的输出电压。
准谐振开关电源具有高效率、高稳定性、小体积等优点，在各种应用中得到广泛应用。
2.设计原理3.主要电路设计a.输入滤波电路输入滤波电路主要用于抑制电源噪声和滤波杂波，确保输入电源的稳定性。
一般采用电容器和电感器的组合来实现。
b.整流电路整流电路用于将交流电源转换为脉冲直流电压。
常用的整流电路包括单相全波整流电路和三相桥式整流电路。
c.谐振电路谐振电路是准谐振开关电源的核心部分，通过合理的选择谐振频率和谐振元件的参数来实现输出电压的稳定调节。
谐振电路常采用LC谐振电路，谐振元件主要由电感器和电容器组成。
d.输出滤波电路输出滤波电路主要用于去除输出电压中的纹波和杂波，确保输出电压的稳定性。
一般采用电容器和电感器的组合来实现。
4.设计要点a.合理选择谐振频率和谐振元件的参数，确保谐振电路的稳定性和输出电压的精度。
b.控制开关管的导通时间和关断时间，确保开关管工作在合适的状态，减小功耗和热损耗。
c.使用高效率的开关管和电源管理芯片，提高整体电源的转换效率。
d.使用合适的散热装置和温度感知器，确保电源的散热性能和稳定性。
e.遵循安全设计原则，采取必要的保护措施，确保电源的可靠性和使用者的安全。
5.结论准谐振开关电源是一种高效、稳定的电源设计，能够提供稳定的直流电压输出。
设计时需要合理选择谐振频率和谐振元件的参数，并控制开关管的导通时间和关断时间。
此外，合理选择开关管和电源管理芯片，使用合适的散热装置和温度感知器，严格遵循安全设计原则也是必要的。
准谐振开关电源的设计需要综合考虑电路原理、元器件选择、热设计和安全设计等因素，才能获得稳定、可靠的电源设计。
准谐振半桥开关电源电路-概述说明以及解释
准谐振半桥开关电源电路-概述说明以及解释1.引言1.1 概述在电力电子领域，开关电源是一种常见的源波变换器。
准谐振半桥开关电源电路是一种应用广泛且效率高的开关电源拓扑结构。
该电路通过谐振电容和谐振电感实现电流和电压的平滑转换，减小了开关器件的开关损耗，提高了整体能量转换效率。
本文将详细介绍准谐振半桥开关电源电路的工作原理、电路设计方法和性能分析，以及对其应用前景和发展趋势进行讨论。
通过本文的阐述，读者将能够全面了解准谐振半桥开关电源电路在现代电子领域中的重要性和广泛应用价值。
1.2 文章结构文章结构部分将会包括以下内容：1. 简要介绍文章的章节划分，包括引言、正文和结论部分。
2. 解释每个部分的作用和重要性，比如引言部分用于引入主题和背景，正文部分用于详细介绍工作原理和电路设计，结论部分用于总结研究内容。
3. 提及每个部分的具体内容和主题，引导读者对整篇文章的框架有一个清晰的认识。
通过这样的文章结构安排，读者可以更容易地理解文章的逻辑思路和主要内容，有助于他们更有效地阅读和理解文章。
1.3 目的本文旨在介绍准谐振半桥开关电源电路的工作原理、电路设计及性能分析，以便读者了解该电路的使用方法和优势。
通过深入探讨该电路的特点和性能指标，读者能够更好地应用和改进该电路，同时也有利于推动开关电源领域的发展和进步。
希望本文内容能够对电子工程师和相关领域从业者有所帮助，为他们在实际工作中的电路设计和应用提供一些参考和指导。
2.正文2.1 工作原理准谐振半桥开关电源电路是一种有效的功率转换电路，其工作原理基于谐振现象和半桥拓扑结构。
在正常工作状态下，电路由一个电源模块，一个控制模块和一个输出端模块组成。
首先，电源模块将交流电源转换为直流电压，并通过控制模块对功率开关元件进行PWM控制，使其按照一定的频率和占空比进行开关操作。
在半桥拓扑结构中，两个互补的功率开关元件分别连接到电源的正负极，通过不断地开关操作，实现电压的变换和控制。
反激准谐振工作原理
反激准谐振工作原理小伙伴们！今天咱们来唠唠反激准谐振这个超有趣的东西。
咱先来说说反激变换器是啥。
想象一下，就像是一个超级智能的小助手，它能把输入的电能变来变去。
在反激变换器里啊，有个变压器，这个变压器可不像咱们平常看到的那种老老实实传电的家伙。
它有点调皮呢，在开关管导通的时候，它就开始储存能量，就像小松鼠囤坚果一样，把电能都囤在自己这儿。
然后呢，当开关管一关，它就把储存的能量释放出去，给到负载那边。
这一存一放的过程，就像是一场能量的接力赛。
那准谐振又是咋回事呢？这就更有意思啦。
准谐振就像是给这个反激变换器加上了一个魔法咒语。
当开关管关断的时候啊，电路里会发生一些奇妙的变化。
这个时候，电路里的一些元件，像是电感啊、电容啊，它们之间就开始互相作用。
就好像是一群小伙伴在开派对，电感和电容开始玩起了一种特殊的游戏。
你看啊，电感有个特点，它不喜欢电流突然变化，就像一个慢性子的小老头。
电容呢，它对电压的变化也有自己的小脾气。
在准谐振状态下，它们之间的能量交换就变得很有规律。
比如说，电感的能量会逐渐转移到电容上，这时候电容的电压就会慢慢升高。
这个过程就像是海浪一波一波地涌过来，电容的电压就像海浪的高度一样，一点一点地变化着。
而且哦，准谐振还有个很大的好处呢。
它能够降低开关管的损耗。
你想啊，开关管就像一个忙碌的小工人，一直在那开开关关的。
如果没有准谐振这个魔法，它在开关的时候就会消耗很多能量，就像小工人干活累得气喘吁吁还浪费很多力气一样。
但是有了准谐振，就像是给小工人找了个省力的工具，让它在开关的时候能够轻松一些，损耗的能量就少啦。
在这个反激准谐振电路里啊，还有很多小细节值得我们去琢磨。
比如说，电路里的各种参数就像是做菜时的调料一样，得搭配得刚刚好。
电阻的大小、电感的电感量、电容的容量，这些都得相互配合。
如果哪个参数出了问题，就像做菜时盐放多了或者少了一样，整个电路的工作就会变得不正常。
再说说这个电路的工作频率。
反激式准谐振开关电源原理
反激式准谐振开关电源原理准谐振电路分为零电压和零电流模式，理论上也有很多方法能实现准谐振变换，但是由于涉及到比较高的电压，很多方法并不适用于无输入变压器的所谓离线开关电源。
离开实际的电路很难讨论准谐振的原理，我们首先分析一下常见的反激式开关电源工作过程，然后探讨在反激式开关电源中引入零电压ZVC准谐振的方法。
如图2所示为反激式开关电源的基本电路原理图。
VT为开关管，T为高频变压器，D1为整流管，Vin为输入的直流电压，经初级绕组LP加到开关管的漏极（集电极），假定负载二极管为理想的开关。
Lk为漏感，代表不能祸合传输到次级的磁通量，其存储的能量必须要通过其他的路径释放，另外，漏感Lk会延缓和阻止互感Lm能量的传递，存储在漏感中的能量是开关管关断时产生尖峰的原因。
互感Lm完成能量从初级（Primary）到次级（second）的传输。
Cd是代表漏极端子总的电容，包括MOS开关管的输出电容，变压器线圈的寄生电容等电路中其他的离散电容。
对于反激式开关电源，开关管是在电流最大时关断的，因而会产生关断损耗，参看图3，开关管关断后，在电源开关管截止去磁恢复阶段，一开始漏感Lk和漏极端子总的电容Cd组成的谐振回路产生过压尖峰振荡，形成振铃，然后储存在互感LM的能量对负载转移，负载二极管D1导通，形成次级电流1s给滤波电容充电，将开关管饱和期磁化的能量转移给次级电路供给负载，在此阶段，电流1s近似线性减少，逐渐降至为零。
去磁恢复阶段的后期次级绕组放电结束，负载二极管截止，能量释放完毕后，仍有一部分能量会在LM和寄生电容Cd之间以输入电压Vin为基准，产生近似的衰减余弦振荡，并维持在一定的水平，形成停滞期（dead time一死区，开关管和二极管都不导通的阶段）直到开关管导通进入下一个周期的振荡。
当开关管再次导通的时候，漏极电压VDS可能在较低的水平，也可能在较高的水平，一般而言，Cd将通过MOS管放电形成电流尖峰，如果在比较高的数值（如图3中P3点）开启，则此电容上的电压不仅使开关管导通产生很大额外的功耗，而且会产生开关噪声，形成EMT电磁干扰，Toff为开关管截止时间，Td为停滞期，因此这种工作方式为电流不连续的方式DCM（DiscontinuousCondition Mode）。
准谐振QR（quasi-resanent）开关电源
准谐振QR（quasi-resanent）开关电源我们经常提到准谐振电源，那么究竟什么是准谐振开关电源呢？众所周知，开关电源的损耗主要来自于开关管的开关过程，由于开关管不是理想的开关器件，开关过程不是瞬间完成的，存在一定的过渡时间，如图1所示，传统的方波开关电源在这个过渡转换的时间里电压和电流均为零，存在重叠的区域，因而会产生开关的损耗，随着频率的升高，这种损耗会逐渐加大而限制开关电源频率的提高，同时由于在转换过程中电压和电流短时间内的急剧变化，也会产生很大的开关噪声，形成电磁干扰EMT。
为克服方波开关电源的这一缺点，二十多年来人们一直致力于低功耗的软开关电源技术的探索，在电路中加入小电感或电容元件，利用谐振的原理，使开关两端的电压或电流的变化呈正弦波的变化规律，基本的设想是想办法使开关管能在电压过零ZVS （ZeroVoltage Switching）或电流过零ZCS （Zero Current Switching）的时候完成开关转换，以消除电压和电流的重叠，实现消除或减小功耗的目的。
谐振电源（Resonant SwitchingPower）的开关损耗能够降低，但电路相对复杂。
在反激式开关电源中广泛应用的是准谐振的模式。
所谓反激式是指原边主功率开关管与副边整流管的开关状态相反，开关管导通时，副边的整流二极管截止，反激式变换器只是在原边开关管导通时储存能量，当它截止时才向负载释放能量，故高频变压器在开关过程中，既起变压隔离作用，又是电感储能元件。
反激式开关电源因电路简洁，容易实现多路输出而在彩电中得到广泛应用。
不同于谐振开关电源谐振过程主动参与整个能量变化的过程（振荡>l}形为正弦波），准谐振模式是谐振只在整个电源能量变换的一个阶段—开关转换的时候完成（波形仍接近为方波），通过谐振使开关管在零电压（或最小电压）或者是零电流的时刻完成开关转换，同时又保持方波开关电源的高能量传输模式，因此称为准谐振（quasi-resanent ）QR。
准谐振反激式电源设计
准谐振反激式电源设计
低成本和高可靠性是离线电源设计中两个最重要的目标。
准谐振(Quasi resonant) 设计为设计人员提供了可行的方法，以实现这两个目标。
准谐振技术降低了MOSFET的开关损耗，从而提高可靠性。
此外，更软的开关改善了电源的EMI特性，允许设计人员减少使用滤波器的数目，因而降低成本。
本文将描述准谐振架构背后的理论及其实施，并说明这类反激式电源的使用价值。
基本知识
准(quasi)是指有点或部分的意思。
在实现准谐振的设计中，现有的L-C 储能电路正战略性地用于PWM电源中。
结果是L-C 储能电路的谐振效应能够软化开关器件的转换。
这种更软的转换将降低开关损耗及与硬开关转换器相关的EMI。
由于谐振电路仅在相当于其它传统方波转换器的开关转换瞬间才起作用，故而有准谐振之名。
正激准谐振开关电源工作原理
正激准谐振开关电源工作原理
嘿，朋友们！今天咱要来聊聊正激准谐振开关电源工作原理，这可真是个超级有趣的东西啊！
你看啊，就好比我们的生活中，电就像我们的血液一样重要，而开关电源呢，就是保证电能够顺畅流动的关键。
正激准谐振开关电源啊，它就像是一个聪明的指挥官。
想象一下，电源的输入就像是一群不守规矩的小家伙，横冲直撞的。
这时候正激准谐振开关电源就出马了！它通过一系列神奇的操作，把这些小家伙们都梳理得服服帖帖，变成我们需要的稳定电能。
正激准谐振开关电源里面有好多关键的部分呢！比如说那个变压器，就像是一个魔法盒子，把电的能量进行转换和传递。
还有那些电子元件，它们齐心协力地工作着，确保一切都有条不紊。
“哎呀，那它到底是怎么做到的呀？”你可能会这么问。
嘿嘿，它就像是一个节奏感超强的音乐家，能够精准地把握节奏，让电流和电压在合适的时候达到和谐共鸣！这可不是一般的厉害啊！
咱再举个例子，如果你家里的电器没有一个好的开关电源，那可能一会儿灯忽明忽暗，一会儿电视又出问题，多烦人呐！但有了正激准谐振开关电源，这些问题统统都不见啦！
在各种电子设备中，正激准谐振开关电源都发挥着至关重要的作用，没有它，我们的生活可就要乱套啦！它就像一个默默守护我们的小英雄，虽然我们可能平时不太会注意到它，但它一直在那里，兢兢业业地工作着。
所以说啊，正激准谐振开关电源的工作原理真的超级重要，我们真应该好好了解它，感谢它为我们的生活带来的便利呀！。
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采用FSQ0365RN 的 20W反激式
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上图说明
所示是我们在德国的全球功率资源中心 (Global Power Resource™ Center) 设计的应 用实例。R103、R104、R105、D104 和 C103 构成了漏极上最小电压级检测所需的附 加元件。
FOD2741 是误差放大器，在封装中整合了标 准光电耦合器的功能和工业标准431 参考基准。 其余元件均为反激式转换器的标准配备。
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上图说明
对于该款设计，在175VAC 到 265VAC 的电压 范围内测得的无负载待机功耗小于130mW。 在较低的输入电压下，待机功耗甚至可低于同 类设计。在整个电压范围上，其满负载效率大 于86%，对这个功率级下的多输出反激式电源 而言已是非常高的了。它的线路调节相当出色 ― 改变输入电压时，测得的电压并没有出现 变化。对于已经调节的输出，负载调节率保持 在5% 范围之内。
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上图说明
在85V并在到265VAC 时下降至73%。 对小型电源而言，这是十分出色的性能，全然 得益于准谐振技术的利用。在整个工作范围上， 线路调节率和负载调节率都完全落在1% 范围 内。测得无散热器的器件温度高于室温15 度。 1.2mH 的电感和 220nF 的电容就可提供充分 的滤波，以满足标准的EMI 规范。
电流模式反激式转换器在非连续导通模式下工作 时的漏极波形。这里使用的是单栅极脉冲。在第一个 时间间隔期间，漏极电流上升至到需要的电流值。然 后电源开关关断。反激式变压器中的泄漏电感与节点 电容相互振荡，产生受钳位电路限制的泄漏电感尖峰。 电感尖峰减小后，漏极电压值回落到输入电压加反射 输出电压之和。当输出二极管中的电流下降到零时， 若忽略初级电感和节点电容的影响，漏极电压将立即 跌至总线电压。但实际上漏极电压会降回图中所示的 电平级。
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上图说明
低功率准谐振器件的推出开拓了众多新的可能性。全 球功率资源中心已利用FSQ311 器件开发出可提供 20V/100mA 输出的准谐振降压电路。待机功耗测量 在10mA 的负载情况下进行。在85VAC 到265VAC 的 全范围上，总体功耗小于400mW (包括200mW的基 本负载)，对于高达180VAC 的范围，则小于350mW。 低输入电压下性能更好，因为这时漏极电压波形的波 谷远较输入电压更高时接近零。此外，这也表明可以 利用这种设计来让0.2W电源获得50%的效率。
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设计说明
初级电感和节点电容构成一个谐振电 路。当电感为1.4mH、节点电容为 73pF 时，由方程式4π2f2LC = 1 可计 算出谐振频率为500kHz。谐振电路为 弱阻尼。我们发现，利用这种近似法， 谐振频率与输入电压及负载电流没有 直接关联。
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MOS管的问题
对于非连续导通模式反激式转换器，MOSFET 在固 定频率下导通 (忽略任何频率抖动产生的影响)。器件 导通，并在达到设置的电流值时关断，然后在前一个 器件导通后一段固定时间时再导通。器件的导通时间 与漏极谐振不同步。在一些情况下，当漏极电压低于 总线电压加反射输出电压之和时，器件可能导通；在 另外一些情况下，器件在漏极电压更高时才导通。这 种特性常常可在不连续反激式转换器的效率曲线上看 到：在驱动恒定负载时，由于器件导通时间上升或降 至谐振曲线的波谷，效率将随输入电压变化。
准谐振电源原理
准谐振转换是十分成熟的技术，广泛用于消费 产品的电源设计中。新型的绿色FPS (Green FPS) 系列把这一技术的应用范围拓展到了低 功耗领域。
准谐振转换的原理是降低拓扑中电源开关的导 通损耗。谐振转换器可把导通损耗降至最低， 但工作方式迥异。
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反激式漏极电压及电流波形
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上图说明
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准谐振开关的优点
此外，在准谐振过程中存在固有频率抖动，将会减小 EMI 噪声，进一步降低滤波器成本。这个成因在于大 电容上的输入电压纹波。对恒定负载而言，最大纹波 电压下的导通时间和输出二极管导电时间比最小纹波 电压下的要小，导致开关频率随相等于纹波频率的扫 描频率而线性变化 (例如，对50Hz AC 工作频率的全 桥整流电路为100Hz)。这降低了150kHz到1MHz 开 关频率上的EMI。这是准谐振转换器用于阴极射线管 彩电应用的主要原因：开关频率持续变化，把电视图 像上的干扰效应减至最小。
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准谐振开关的优点
与反激式转换器的不连续工作模式及连续工作 模式相比，准谐振开关提供的导通损耗更低， 因此能够提高效率和降低器件温度。通过在先 进控制器或集成电源开关中采用频率钳位电路， 可以克服简单准谐振电路在轻负载下损耗较高 的问题。
若导通过程中电流电压较低，产生的EMI 也较 小，这正是准谐振应用的情况。在1MHz 到 50MHz 的频率范围内可减小EMI。
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谐振的频率问题
对于准谐振开关，器件没有固定开关频率，而 是让控制器在漏极电压到达波谷之时导通。以 往针对彩电市场设计的准谐振器件一般在第一 个波谷时导通。对负载总是很高的彩电而言， 这是一个很好的解决方案。但对于动态范围很 宽的负载来说，这会产生问题。
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谐振的频率问题
器件关断和第一个波谷之间的时间由谐振频率 决定。器件导通和关断之间的时间由控制器设 定。对较轻的负载，由于电感需要的能量较小， 故这个时间较小，导致导通时间较短，以及输 出二极管的导电时间也变短。因此，对较轻的 负载而言，频率变高，致使开关损耗增大。