【導(dǎo)讀】從快速充電器和旅行適配器到揚(yáng)聲器和智能家居助理的電源，各種應(yīng)用都依賴(lài)于低功耗（低于 100 W）AC/DC 轉(zhuǎn)換。選擇電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)時(shí)的一個(gè)基本點(diǎn)是其提供零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS) 的程度，因?yàn)檫@對(duì)效率、EMI 性能和可靠性具有重大影響。并非所有傳統(tǒng)拓?fù)涠寄軌驅(qū)崿F(xiàn) ZVS，而且目前還沒(méi)有一種拓?fù)淠軌蛟谳p負(fù)載下提供 ZVS。
從快速充電器和旅行適配器到揚(yáng)聲器和智能家居助理的電源，各種應(yīng)用都依賴(lài)于低功耗（低于 100 W）AC/DC 轉(zhuǎn)換。選擇電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)時(shí)的一個(gè)基本點(diǎn)是其提供零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS) 的程度，因?yàn)檫@對(duì)效率、EMI 性能和可靠性具有重大影響。并非所有傳統(tǒng)拓?fù)涠寄軌驅(qū)崿F(xiàn) ZVS，而且目前還沒(méi)有一種拓?fù)淠軌蛟谳p負(fù)載下提供 ZVS。
任何插入墻壁插座的電子設(shè)備都需要某種形式的交流/直流轉(zhuǎn)換器來(lái)整流電壓并將其降低到設(shè)備所需的較低水平。我們?cè)诩彝ズ娃k公室發(fā)現(xiàn)的許多現(xiàn)代設(shè)備都屬于低功耗類(lèi)別，需要的功率低于 100 W。事實(shí)上，除了電器之外，我們家中的大多數(shù)設(shè)備都可能被歸類(lèi)為低功耗設(shè)備。
在某些情況下，例如計(jì)算機(jī)顯示器或電池充電器，AC/DC 轉(zhuǎn)換器將嵌入在產(chǎn)品本身中。然而，許多設(shè)備使用專(zhuān)用的外部電源——包括智能家居助手和磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備，所有這些設(shè)備在使用時(shí)都需要電源。此外，AC/DC 轉(zhuǎn)換是用于為手機(jī)、平板電腦和其他便攜式設(shè)備充電的適配器的基礎(chǔ)。
雖然這些應(yīng)用的低功耗特性可能意味著效率并不是一個(gè)大問(wèn)題，但事實(shí)卻并非如此。鑒于這些設(shè)備有數(shù)十億臺(tái)正在使用，并且通常每周 7 天、24 小時(shí)都處于接通狀態(tài)，因此對(duì)能源消耗和后續(xù)排放的影響是巨大的。因此，提高交流/直流轉(zhuǎn)換器的效率是電力工程師設(shè)計(jì)議程的首要任務(wù)。
低功耗 AC/DC 轉(zhuǎn)換的拓?fù)浜图夹g(shù)
額定功率低于 75 W 的低功率 AC/DC 轉(zhuǎn)換器通常不受功率因數(shù)校正 (PFC) 要求的影響，因?yàn)樗鼈儗?duì)主電網(wǎng)的影響被認(rèn)為是的。這簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)并減少了元件數(shù)量——這兩者都是這些微型電源解決方案的理想選擇。
反激式拓?fù)溆捎谄涠喙δ苄浴⑿阅芎秃?jiǎn)單性而在低功耗設(shè)計(jì)中極為流行。這種拓?fù)湟呀?jīng)使用了 70 多年，通常由初級(jí)側(cè) MOSFET、輸出（次級(jí)）整流二極管、輸出電容器和反激變壓器以及其他一些小型組件組成。
電源設(shè)計(jì)人員不斷尋求改進(jìn)拓?fù)洌蕴岣咝驶蛐阅埽蛘呃硐肭闆r下兩者兼而有之。因此，準(zhǔn)諧振 (QR) 反激架構(gòu)由于能夠降低開(kāi)關(guān)損耗而變得非常流行。這是通過(guò)在導(dǎo)通脈沖之前降低初級(jí) MOSFET 的漏極-源極電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這具有降低峰值電流和開(kāi)關(guān)頻率的效果，確保 MOSFET 在個(gè)“波谷”導(dǎo)通。
QR 操作的效率增益主要在滿(mǎn)負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)。然而，這種拓?fù)涞挠查_(kāi)關(guān)特性意味著在輕負(fù)載時(shí)，效率通常要低得多。
通過(guò)零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS) 的實(shí)施可以進(jìn)一步改進(jìn) QR 反激式設(shè)計(jì)。在正常的 QR 反激式設(shè)計(jì)中，MOSFET 在“谷”中切換，這意味著漏源電壓 (VDS) 處于值，但不一定為零。通過(guò)實(shí)施 ZVS（或軟開(kāi)關(guān)），VDS 在 MOSFET 切換之前降至零（而不僅僅是值），從而消除了電壓和電流之間的任何重疊，從而限度地減少損耗。這還可以降低 EMI，這是一個(gè)額外的好處，可以讓設(shè)計(jì)人員更輕松地滿(mǎn)足嚴(yán)格的 EMC 法規(guī)。
進(jìn)一步的發(fā)展是有源鉗位反激式 (ACF) 拓?fù)洌c傳統(tǒng)反激式設(shè)計(jì)的不同之處在于，它重新利用了變壓器漏感中存儲(chǔ)的能量，而這些能量本來(lái)會(huì)在無(wú)源鉗位緩沖電阻中耗散。向負(fù)載提供這種“回收”能量可提高轉(zhuǎn)換器效率，并顯著降低關(guān)斷期間 MOSFET 上的峰值電壓。
此外，ACF 設(shè)計(jì)中的 QR“谷”明顯較低，通常可實(shí)現(xiàn)近 ZVS 操作，從而降低開(kāi)關(guān)損耗并增強(qiáng) EMI。
改進(jìn)和擴(kuò)展 ZVS 性能
QuarEgg? 是一種新的反激式轉(zhuǎn)換方法，能夠進(jìn)一步提高性能、效率和可靠性，這是一種由 Eggtronic 開(kāi)發(fā)的創(chuàng)新型專(zhuān)有電源架構(gòu)，專(zhuān)門(mén)用于低于 100 W 的交流/直流設(shè)計(jì)。這種新架構(gòu)顯著提高了效率并減小了通常基于 ACF 和 QR 反激拓?fù)涞?AC/DC 轉(zhuǎn)換器的尺寸。與其他方法不同，該架構(gòu)在所有負(fù)載條件下均采用 ZVS 運(yùn)行，從而提供非常平坦的效率曲線(xiàn)。滿(mǎn)負(fù)載時(shí)的典型效率高達(dá) 95%，輕負(fù)載時(shí)的效率高達(dá) 92%，并且在待機(jī)模式下，基于 QuarEgg 的設(shè)計(jì)功耗低于 18 mW。
圖 1.QuarEgg 顯示在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)效率比通用 QR 反激轉(zhuǎn)換器顯著提高。圖片由 Bodo’s Power Systems提供
圖 2.QuarEgg 拓?fù)涞暮?jiǎn)化示意圖。圖片由 Bodo’s Power Systems提供
與通用 QR 反激拓?fù)湎啾龋路椒ㄔ谥髯儔浩魃咸砑恿艘粋€(gè)輔助繞組，以及一個(gè)飛跨電容器和一個(gè)以正向配置連接在低側(cè)的低壓、低成本 MOSFET。然而，取消高壓、高側(cè)鉗位 MOSFET 可以減少總體元件數(shù)量并提高可靠性。主QuarEgg控制器位于轉(zhuǎn)換器的次級(jí)側(cè)，以增強(qiáng)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。
輔助 MOSFET 主要是作為在所有負(fù)載條件下主動(dòng)強(qiáng)制主功率 MOSFET 達(dá)到 ZVS 條件的一種手段。當(dāng)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行開(kāi)關(guān)時(shí)，次級(jí)側(cè)控制器通過(guò)輔助繞組感測(cè)初級(jí) MOSFET 的 VDS。當(dāng)每個(gè)波峰出現(xiàn)時(shí)，輔助 MOSFET 導(dǎo)通并對(duì)漏極節(jié)點(diǎn)放電，使 VDS 變?yōu)榱悖瑥亩_保主 MOSFET 的 ZVS 導(dǎo)通。
相應(yīng)的波形如下所示。
新方法適用于所有類(lèi)型的 MOSFET 開(kāi)關(guān)器件，包括傳統(tǒng)硅和寬帶隙 (WBG) 材料，例如氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC)。與傳統(tǒng)的 ACF 和 QR 拓?fù)湎啾龋?QuarEgg 的電源轉(zhuǎn)換器的性能得到了改進(jìn)，與傳統(tǒng)硅轉(zhuǎn)換器相比，效率提高了 7 倍，尺寸縮小了 3 倍，而與高性能 GaN 轉(zhuǎn)換器相比，效率提高了 3 倍，尺寸縮小了 2 倍。
為了支持設(shè)計(jì)人員使用 Eggtronic 技術(shù)，我們提供了一系列開(kāi)發(fā)板、集成電源控制器和專(zhuān)有磁性元件以及詳細(xì)的技術(shù)支持。
圖 3.QuarEgg 拓?fù)涞牟ㄐ巍＜t色：初級(jí)MOSFET的VDS；綠色：輔助MOSFET的Vg；藍(lán)色：初級(jí) MOSFET 的 Vg。圖片由 Bodo’s Power Systems提供
概括
對(duì)于低功率 AC/DC 電源、充電器和適配器來(lái)說(shuō)，從空載到滿(mǎn)載的效率越來(lái)越重要，因?yàn)檫@些電源、充電器和適配器可能每周 7 天、每天 24 小時(shí)都處于接通狀態(tài)。到目前為止，許多設(shè)計(jì)都是基于已經(jīng)使用了幾十年的反激拓?fù)洌M管近有了 QR、ACF 和 ZVS 等增強(qiáng)功能。
作為 Eggtronic EcoVoltas? 系列的一員，QuarEgg 專(zhuān)為提供更小、更高效率的電源轉(zhuǎn)換而開(kāi)發(fā)，并幫助工程師實(shí)現(xiàn)性能、成本、尺寸、重量和可持續(xù)性目標(biāo)。
通過(guò)主動(dòng)強(qiáng)制 ZVS 運(yùn)行，新架構(gòu)不僅提高了效率，而且使效率曲線(xiàn)變得平坦，以解決輕負(fù)載時(shí)性能不佳的問(wèn)題。該技術(shù)還可以減少組件，進(jìn)一步提高功率密度和可靠性。
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