原边反馈反激式变换器PSRFlybackConverter课件.ppt

1、Primary side regulated flyback AC-DC 2019/8/7 1 PSR技术 1、PSR技术简介 1.1 传统的次级端反馈的缺点 1.2 PSR技术的优点 1.3 PSR的应用 2、PSR技术的原理 2.1 flyback 变换器的原理 2.2 如何在原边检测输出电压Vo和输出电流Io 2.3 PSR实现恒压和恒流的原理 2.4 PSR恒压功能和恒流功能之间如何实现切换 3、PSR的关键技术问题 2019/8/7 2 1、PSR技术简介 1.1 传统的次级端反馈的缺点传统的次级端反馈的缺点 恒流控制 恒压控制 采用传统次级端调节反激式转换器 2019/8/7 3

2、采用传统次级端调节反激式转换器 此方案可提供精确的电压、电流控制，但缺点是：（1）组件数目较多，电路板空间 ，成本 ，可靠性 （2）采样电阻Ro增加功耗，效率 （3）光耦合器不能工作于高温环境下 (Current transfer ratio degradation due to temperature rises)（4）光耦合器存在一个低频极点（20-30kHz）this low frequency pole complicates the feedback loop design 2019/8/7 and limits the crossover frequency 4 1.2 PSR1.

3、2 PSR技术的优点技术的优点 PSR（Primary-Side-Regulation ）：原边调制 在变压器原边检测输出信息 消除了次级的采样电路 无须使用TL431和光耦合器 减少组件数目，降低了整体电路的复杂性 2019/8/7 更为高效和优化 5 PSR的典型输出特性曲线 VOCVCCIOPSR 反激式变换器的典型输出 V-I 2019/8/7 6 特性 1.3 PSR1.3 PSR的应用的应用?笔记本、手机、数码相机等数码产品的锂电子电池的充电器?计算机（PC）的辅助电源?LED 驱动 2019/8/7 7 2019/8/7 2、PSR技术的原理技术的原理 2.1 flyback 2

4、.1 flyback 变换器的基本原理变换器的基本原理 VNPNSDINTV0iPLPLRSiCL0SMtontoffFlyback 变换器的原理图 8 VLP原边绕组感应电压0?1VINVINNPTNSD功率管漏源电压V0NPVONSNVIN?PVONSVINiPLPLRLSiC0SMtontoffFlyback 变换器的原理图 开关管M导通时：原边电流线性增加，斜率为 VIN能量储存在原边 LP开关管M截止时：副边电流线性减小，斜率为能量从原边传递到副边?V OLS2019/8/7 0斜率为VIN原边绕组电流ip2ip2ip2LP0副边绕组电流i斜率为?VOS2iS2LS0tontoffD

5、CM模式下的电压、电流波形 PL2PiPKLPVINV2t2IN?E/T?2 T?2 T(Lton)2?IN onP2 TLPV2POO?RLV?V?tRLPOINon?IN?PO2TLP9 2.2 2.2 如何在原边获取如何在原边获取VoVo、IoIo的信息的信息 VINIPIS?IDVFVOIONPVDNSIPRL假设所有元件都是理想的假设所有元件都是理想的IpkIpkMNAVAISID,pkID,pkRSVDVINNPVONSIO?ID,avgID,pkNP?IpkNSID,avg?ID,pk?tD2tStDNPIO?Ipk2tSNSVANAVONStDIo的信息反映在原边峰值电流的信息

6、反映在原边峰值电流Ipk tS10 2019/8/7 2.2 2.2 如何在原边获取如何在原边获取VoVo、IoIo的信息的信息 VINIPIS?IDVFVOIONPVDNSIPRL假设所有元件都是理想的IpkIpkMNAVAISID,pkID,pkRSNVD?VIN?P(VO?VF)NSNVA?A(VO?VF)NS原边绕组电压 VDNP?VONSVINVANAVONSNPVONSVD?VIN?副边电流为副边电流为0时时 VF?0辅助绕组电压 NAVA?VONStD2019/8/7 Vo的信息反映在原边绕组电压的信息反映在原边绕组电压VD-VIN以及以及 辅助绕组电压辅助绕组电压VA上上 tS

7、11 2.2 2.2 如何在原边获取如何在原边获取VoVo、IoIo的信息的信息 VINIPIS?IDVFVOIONPVDNSIPRL假设所有元件都是理想的IpkIpkMNAVAISID,pkID,pk原边绕组电压 RSVD?VIN?NP?VONS如果在原边绕组检测Vo的信息，则需要高压检测电路，并且会受原边漏感耦合噪声的影响 VDVINVANAVONSNPVONS所以一般是通过辅助绕组检测Vo的信息 NAVA?VONStDtS2019/8/7 12 2.2 2.2 如何在原边获取如何在原边获取VoVo、IoIo的信息的信息 VINIPIS?IDVFVOIONPVDNSRLIP假设所有元件都是

8、理想的假设所有元件都是理想的IpkIpkMNAVAISID,pkID,pkVDRSVAVINNAVONSNPVONSNVA?AVONSVo的信息反映在的信息反映在 原边辅助绕组电压原边辅助绕组电压VA Io的信息反映在的信息反映在 原边峰值电流原边峰值电流Ipk tDtStDNPIO?Ipk2tSNS2019/8/7 能在原边检测能在原边检测 Vo、Io的信息的信息 13 2.3 PSR2.3 PSR实现恒压、恒流的原理实现恒压、恒流的原理 2.3.1 恒压（恒压（CV）原理）原理 VIN?tonRLRLPSR的输出电压的输出电压 VO?VIN?ton?LP?2 tsLPLP2 tsLPRLL

9、P?Ipk?2 tsR保持 不变，检测 IL调整 SPFM方式：方式：pk两种恒两种恒 压方式压方式 开关频率不固定开关频率不固定 PWM方式：方式：保持 tS不变 开关频率固定开关频率固定 2019/8/7 14 t根据 RL调整 VIN?ton2.3.1.1 PWM 恒压（恒压（CV）原理）原理 保持 tS不变 开关频率固定开关频率固定 PSR的输出电压的输出电压 VRLO?VIN?ton?2tsLPRINL调整调整 tontS确定确定 LPRL调整调整 tonRVIN调整调整 LttonS确定确定 LPVIN调整调整 ton2019/8/7 Vo恒定恒定 Vo恒定恒定 15 VPWM方式

10、恒压原理图 VINLPLSVOVDDM给芯片供电通过辅助绕组R检测输出电压SVo 的信息比较器V采样E保持VVrefQRE代表输出功Q率Po的大小SOSC2019/8/7 16 CV：其他条件不变，RL变化时的调整过程 未进行调整CV稳态1负载电阻突变为R2（假如R2R1)Vo下降 调整过程CVVE调整后使得ton稳态2负载电阻为R1输出电压为VO1输出功率为PO1ton?RL不变负载电阻为R2输出电压为VO2输出功率为PO2R1?R2VO1?VO2PO1?PO2原边电流VEVE原边电流ton1ton22019/8/7 17 CV：其他条件不变，VIN变化时的调整过程 V未进行调整E调整过程C

11、V原边电流斜率CV稳态1输入电压突变为VVE不变ton稳态2IN2输出恒压Vo输入电压为VV输出恒压VoIN2?VIN1IN1调整后使得输入电压为VIN2负载电阻为RLt?V负载电阻为onIN不变RLVIN1?VIN2ton 1?ton 2PO1?PO2VE原边VE原边电流电流ton 1ton22019/8/7 18 PWM 恒压（恒压（CV)模式下，模式下，在在 V最小并且满载时最小并且满载时 INton达到最大值达到最大值 导通时间导通时间 tD达到最大值达到最大值 消磁时间消磁时间 RLPSRPSR的输出电压的输出电压 VO?VIN?ton?2tsLPRL最小最小 满载时满载时 tS，O

12、，V L PVIN最小最小 ton达到最大值达到最大值 导通时间导通时间 不变不变 RL最小最小 满载时满载时 tS，O，V L PVIN?ton达到最大值达到最大值 VIN?tonIpk?LPVONPIpk?tDNSLS不变不变 Ipk达到最大值达到最大值 tD达到最大值达到最大值 2019/8/7 19 PWM 恒压（恒压（CV)模式下，模式下，在在 V最小并且满载时最小并且满载时 IN 导通时间导通时间 ton 达到最大值达到最大值 tD达到最大值达到最大值 消磁时间消磁时间 ton,MAXPWMIIpk,maxPIStD,maxPWMCVVINMINFull_ Load2019/8/7

13、 20 2.3.1.2 PFM 2.3.1.2 PFM 恒压（恒压（CVCV）原理）原理 VINVO保持 Ipk不变 开关频率不固定开关频率不固定 MVDD给芯片供电R LLPPSR的输出电压的输出电压 VO?Ipk?2ts通过辅助绕组检测输出电压Vo的信息RLRS原边的峰值电流固定为Ipk?Vlim itRSVOVlim it负反馈负反馈 QRSQOSC根据检测到的输出电压Vo调整开关管的开关频率fstsVO2019/8/7 21 PFM PFM 恒压（恒压（CVCV）调整过程）调整过程 未进行调整CV稳态1负载电阻突变为R2（假如R2R1)Vo下降 调整过程CVRLtS稳态2负载电阻为R1

14、输出电压为 VO1输出功率为PO1调整后使得RL不变tS负载电阻为R2输出电压为VO2输出功率为PO2R1?R2VO1?VO2PO1?PO2tS1?tS2ts1ts22019/8/7 22 2.3.2 2.3.2 恒流（恒流（CCCC）原理）原理 PSR的输出电流的输出电流 tDNPIO?IpkNPN固定时固定时 SPFM方式：方式：两种恒两种恒 流方式流方式 PWM方式：方式：2019/8/7 2 tSNS维持维持 tD2tIpk不变不变 实现恒流实现恒流 S保持 Ipk不变，检测 tD调整 tS开关频率不固定开关频率不固定 保持 tS不变 调整 tD?Ipk使其不变开关频率固定开关频率固定

15、 23 PFMPFM方式恒流原理图方式恒流原理图 VINVO保持 Ipk不变，检测 tD调整 tSLPLSVDD给芯片供电开关频率不固定开关频率不固定 通过辅助绕组检测输出电压Vo的信息MRS原边的峰值电流固定为Ipk?Vlim itRSIpkVlim itQRSNPVO?tDNSLSQOSC根据检测到的输出电压Vo调整开关管的开关频率fsIpk固定，检测出Vo相当 于检测出 2019/8/7 24 PFM方式恒流调整过程方式恒流调整过程 未进行调整CC稳态1输出恒流Io负载电阻为R1输出电压为VO1输出功率为PO1负载电阻突变为R2（假如R2R1)Io稍微上升Vo迅速下降消磁时间 tD调整过

16、程CC根据Vo调整开关管的开关频率fstSfS，稳态2输出恒流Io负载电阻为R2输出电压为VO2输出功率为PO2R1?R2VO1?VO2PO1?PO2tD不变调整后使得tS2019/8/7 25 PWMPWM方式恒流原理图方式恒流原理图 保持 VINtS不变 LS调整 VOtD?Ipk使其不变 开关频率固定开关频率固定 实现方式有多种 LPMVDD给芯片供电RSSample and hold the primary side peak currentI实现方式1 锯齿波发生器比较器pktD?Ipk实现 Ipk在消磁时对 间 t内积分D开关周期是固定的VreftS2019/8/7 tS26 实现

17、方式实现方式1 1的恒流调整过程的恒流调整过程 未进行调整调整过程CC调整开关管CC稳态1负载电阻的占空比Ipk稳态2突变为R2D输出恒流Io（假如R2R1)输出恒流Io负载电阻为R1Io稍微上升 调整后Vo迅速下降使得I负载电阻为R2输出电压为V消磁时间 tpk?tD不变输出电压为VO2PO1D输出功率为输出功率为PO2O1R1?R2VO1?VO2PO1?PO22019/8/7 27 保持 tSVINPWM恒流实现方式恒流实现方式2原理图原理图 调整 tD?Ipk使其不变 不变 VONStDNPIO?Ipk?IpktD?2IOtS2tSNSNPLPLSIpk?VDD给芯片供电VpkRSM开关

18、频率固定开关频率固定 NS2RStSIONPVpk?tD检测消磁时间tDNS2RStSIONPVpk(n)?tD(n?1)RS2RSVpk?NStSIONPtDPWM比较器Vpk实现方式2（见专利 US 2008/0112193)2019/8/7 根据第根据第n-1个周期个周期 的消磁时间的消磁时间t D确定确定 第第n个周期的原边个周期的原边 峰值电流峰值电流 VpkRS28 实现方式实现方式2的恒流调整过程的恒流调整过程 未进行调整CC稳态1输出恒流Io负载电阻为R1输出电压为VO1输出功率为PO1调整过程CC负载电阻突变为R2（假如R2R1)Io稍微上升Vo迅速下降消磁时间 VpkIpk

19、稳态2输出恒流Io负载电阻为R2输出电压为VO2输出功率为PO2R1?R2VO1?VO2PO1?PO2tD 调整后I?t不变D使得pk2019/8/7 29 保持 tSPWM恒流实现方式恒流实现方式3原理图原理图 不变 调整 tD?Ipk使其不变 NStDNPIO?Ipk?IpktD?2IOtS2tSNSNPNSVIN2LPtSIOIpk?tonNPLPton?Vin?tD开关频率固定开关频率固定 VINVOLPMLSVDD给芯片供电检测消磁时间tDVINNSNPton(n)?Vin(n?1)tD(n?1)2LPtSIOPWMNS2LMtSIONPton?VintD实现方式3（见专利 US 7

20、505287)2019/8/7 根据第根据第n-1个周期个周期 t以及以及 的消磁时间的消磁时间 Vin确定确定 输入电压输入电压 ton第第n个周期的导通时间个周期的导通时间 D30 实现方式实现方式3 3的恒流调整过程的恒流调整过程 输入输入Vin不变，负载变化时：不变，负载变化时：未进行调整调整过程CCCC稳态1负载电阻tonIpk稳态2输入电压为 Vin突变为R2输入电压为 Vin输出恒流 Io（假如R2R1)输出恒流 IoIo稍微上升负载电阻为 R1Vo迅速下降 负载电阻为 R2输出电压为调整后输出电压为V消磁时间 输出功率为O1t使得Ipk?tD不变PD输出功率为VPO2O2O1R

21、1?R2VO1?VO2负载不变，输入负载不变，输入Vin变化时：变化时：PO1?PO2未进行调整调整过程CCCC稳态1tonI?VinpkLtonM稳态2输入电压为 Vin1输入电压突变为 Vin2输入电压为 Vin2输出恒流Io（Vin2Vin1)输出恒流Io负载电阻为 RL 负载电阻为 RL输出电压为调整后输出功率为VO1使得Ipk?tD不变输出电压为P输出功率为VPO2O1VO2in1?Vin2ton1?ton22019/8/7 IO1?IO 2PO1?PO231 2.4 PSR2.4 PSR恒压功能和恒流功能之间如何实现切换恒压功能和恒流功能之间如何实现切换 以一个具体的PSR为例说明

22、恒压和恒流之间的切换过程 VINVORLMVDD给芯片供电恒压（CV）恒流（CC）PWM方式 PFM方式 RS比较器2VpkVEVE代表输出功OSC率Po的大小通过辅助绕组检测输出电压Vo的信息采样保持恒压？恒流 比较器1QRSVrefQ具有CV和CC功能的PSR（PWM方式实现恒压；PFM方式实现恒流）2019/8/7 32 PSR工作在工作在PWM方式恒压方式恒压 PSR恒压工作（CV）时 Vpk?VE功率管M的关闭由比较器1决定 VINVORLMVDD给芯片供电（PWM恒压原理可参考2.3.1.1小节）恒压（CV）时没有起作用 RS比较器2Vpk?VEVpkVEVE代表输出功OSC率Po

23、的大小通过辅助绕组检测输出电压Vo的信息采样保持OSC根据输出电压Vo调整脉冲的频率；CV时Vo不变，所以OSC输出频率固定的脉冲信号 比较器1QRSVrefQ恒压（CV）时实际起作用的电路部分 33 2019/8/7 PSR工作在工作在PFM方式恒流方式恒流 PSR恒流工作（CC）时 Vpk?VE功率管M的关闭由比较器2决定 VINVORLMVDD给芯片供电（PFM恒流原理可参考2.3.2 小节）恒流（CC）时起实际作用 恒流（CC）时不起实际作用 RS比较器2VpkVEVE代表输出功OSC率Po的大小通过辅助绕组检测输出电压Vo的信息采样保持比较器1QRSVrefQOSC根据输出电压Vo调

24、整脉冲的频率；CC时Vo变化，OSC根据采样到的Vo信息调整输出脉冲的频率 2019/8/7 34 PWM PWM 方式的方式的 CV CV向向PFCPFC方式的方式的 CC CC的切换过程的切换过程 RL减小（负载加重）VE开始由CV VE?Vpk向CC切换 VpkVERL，VEVEVpkIP频率固定IP根据Vo调整频率PWM恒压（CV）2019/8/7 PFM恒流（CC）35 3、PSR的关键技术问题 （1 1）芯片的低启动电流和较大的）芯片的低启动电流和较大的UVLOUVLO滞回窗口滞回窗口 （2 2）EMIEMI问题问题 （3 3）轻载时的效率）轻载时的效率 (4)(4)（5 5）如何

25、在原边精确检测副边的消磁时间）如何在原边精确检测副边的消磁时间 （6 6）如何在原边精确检测输出电压）如何在原边精确检测输出电压 （7 7）对输出整流二极管）对输出整流二极管 (8)zero-voltage switching (8)zero-voltage switching 2019/8/7 前沿消隐前沿消隐 Vo Vo D D的温度补偿的温度补偿 36（1）低启动电流，较大的UVLO窗口 AC lineVDLRstartCDLNauxPORCDDVDDPWM ControllerVDDUVLO齐纳二极管（Zener）串联，施密特触发器实现滞回窗口 VDD达到开启阈值 VDD未达到开启阈值

26、 2019/8/7 低启动电流低启动电流 POR信号 打开模拟电源供电和数字电源供电 POR信号 关闭模拟电源供电和数字电源供电 37（2）EMI 问题 EMI：电磁干扰 危害：干扰电网，高频辐射，降低效率 解决办法：跳频（frequency hopping）fs45.6KHz43.0KHz40.4KHz跳频技术（frequency hopping）通过将能量分散到比EMI测试仪带宽更广阔的范围，从而实现降低EMI 2019/8/7 38（3）轻载时的效率 2019/8/7 轻载时开关损耗增大，效率降低 降频，减小开关损耗，提高效率 开关频率43KHzNormal Mode550HzGreen

27、 Mode负载39（4）前沿消隐（LEB）VINNPTNSLSDRLV0C0iPLPiSM寄生电容原边电流tontoffCp电流尖峰开关管导通瞬间存在电流尖峰 可能导致芯片误操作 设计前沿消隐电路（Lead Edge Blank）2019/8/7 Gate电流比较器在开关导通后 的一小段时间不工作，避免误操作 40（5）检测副边的消磁时间 检测消磁时间 的重要性 副边电流的过零点 转化 辅助绕组振铃电压的过零点 tDNPIO?Ipk2tSNS2019/8/7 41（6）如何在原边检测输出电压Vo 二极管非线性VINiPLPTD寄生电阻 RIR压降LSiSC0RLM寄生电容tontoffCp输出

28、整流二极管D的非线性 次级端存在寄生电阻R 引起的IR压降 副边消磁完毕时电流为0，输出整流二极管的正向电压Vf和 寄生电阻的IR压降都为0 2019/8/7 在原边精确检 测输出电压Vo 很困难 副边绕组的电压就等于输出电压Vo，Vo耦合到原边就可以在原边 精确检测到输出电压 42（7）对输出整流二极管D的温度补偿 NPNSDVORload没有温度补偿时：NAR2R1?R2NS(VO?VF)?VREF1?VO?VREF1?VFNSR1?R2R2NANAR1VsVF随着T的增加而减小，则 Vo随T增加而增加；增加温度补偿后：R2VREF1(VO?VF)NAR2RR?IT12?VREF1NSR1

29、?R2R1?R2IT对输出整流二极管D的温度补偿R1NSR1?R2NS?VO?VREF1?VF?ITR2NANAVF负温度特性，IT 正温度特性，互相抵消，实现补偿 2019/8/7 43（8 8）zero-voltage switching zero-voltage switching（quasi-resonant modequasi-resonant mode）VINNPTNSLSDRLV0C0T3时刻时刻Vaux最小，开关管最小，开关管M的漏源电压的漏源电压Vds也最小也最小 iPLPiSM寄生电容tontoffCp在在M的漏源电压的漏源电压Vds 最小时开启功率管最小时开启功率管M 最小化开关应力最小化开关应力 和开关损耗和开关损耗,提高效益，提高效益，降低降低EMI 2019/8/7 在消磁完毕后在消磁完毕后 谐振的最小值处开启功率管谐振的最小值处开启功率管 44 2019/8/7 45