2015电源设计研讨会: 小功率的AC/DC变换器的控制难题(1)

大家好，我是德州仪器应用工程师张亮 今天我们的 topic 是 小功率 AC/DC 变换器的一个控制挑战 那么今天的内容主要包括四个部分 首先第一部分我们看一下 小功率反激变换器的一些特性 一些关键的一个性能 以及典型的工作和控制模式 第二部分我们会看一下新的一个控制方式 就原边反馈 这控制方式 它是如何实现输出恒压和输出恒流的 那么第三部分是一个小功率 AC/DC 变换器的 一个关键的一个性能要求 就是待机功耗的要求 那么我们看一下如何能实现低的待机功耗 那么第四部分我们会比较三种不同的控制模式 它的一个 demo 板的一个性能 那三种模式包括 就是断续模式 变频，原边反馈的这样的一个控制方式 第二种方式是断续 断续反激定频的用光耦反馈 这样的一个控制 第三部分是以断续变频带光耦反馈的 原边电流控制器 这三种控制方式的一个性能比较 那么我们首先看一下 小功率 AC/DC 反激变换器的一个概念 那么右边这张图上给出了一个 典型的一个反激变换器的一个应用的原理图 那么从中我们可以看到一些关键的一个参数 首先就是它的一个电感或者是变压器 第二部分就是它的一个 PWM 控制器 第三部分就是反馈 那么 PWM 控制就是包括了峰值电流控制 那么也有包括了开关频率的一个控制 那么现在新的一个控制器 它的一个 pin 脚会越来越小 那么它有可能需要一个启机的一个线路 那么反馈就是典型的一个 TL431 加光耦的反馈 那么小功率 AC/DC 变换器的应用场合非常广泛 它一般是3到35W 然后输出电压3V到40V 3V到20V这样的一个范围内 通常需要支持全电压范围 应用场合包括 AC/DC 的 adapter 和充电器 以及机顶盒电源，电表 以及各种各样的辅助电源 那么它的一个关键的一个参数 首先就是它的体积和成本 第二，它做 charge 的时候 它需要电压和电流的这样这样一个控制 第三就是它对效率的要求也越来越高 第四，对待机功耗的要求也越来越高 那么右下面这张图是我们的一个 一个典型的一个输出特性的一个框图 它需要输出恒压以及恒流 那么对于一个小功率反激变换器 它的一个效率要求 那么我们的 DOE 以及 COC 都给出了各自的一个标准 那么 COC 还同时提出了一个 对10%负载下的一个效率要求 那么，这张图上给出了 DOE 和 COC 各自在不同的时段对于一个平均效率的要求 那么平均效率是在1/4这里 半载以及75%的负载，以及满载 四个点测下来的一个效率的一个平均值 那么待机功耗的要求 那么从欧盟的一个要求 从2016年1月开始 它需要75mW以内 然后 DOE 的一个标准 从2013年7月开始 就要求的一个标准是100mW以内 然后五星级充电器的一个标准就是30mW以内 那么现在越来越多的 OEM 厂商 其实是要求更低的一个待机功耗 比如说10mW甚至要求5mW的待机功耗 这就是一个零待机功耗的一个概念 那么我们再来看一下这个反激变换器 一个典型的一个工作模式 断续模式 那么右上面这张图上是一个 反激变换器的一个简单的一个电路 它的工作在看主开关管 主开关管导通的时候 原边在储存能量 那么主开关管关断了之后 原边的一个能量通过这个耦合电感传递到副边去 那么这个时候磁芯在消磁 那么如果说副边的电流降到零了之后 然后仍然有一些时间 那么这时候叫断续模式 如果说原边电流刚好降到零 一个周期结束了 也就是说 discharge 这个时间刚好等于0 那么我们称之为临界电流模式 那么对于一个反激变换器 断续反激变换器 它的一个功率控制 它是怎么样来控制的 那么对于每个一个开关周期来说 都有一定的能量来从输入来 从输入传递到输出 然后这些能量减去一些损耗 然后传递到负载中去 那么在一个平衡的一个 一个工作 一个稳态的一个工作条件下 这个系统每个周期的起始和 结束的一个状态都是相同的 那么对于这个每个周期所传递的能量 我们看一下 这下面的几个表达式 第一个表达式是电感中储存的能量 每个周期中储存能量 第二个表达式 那就是开关频率乘以它的能量 那就是开关频率乘以它的能量 就是传递的一个输入的功率 就是传递的一个输入的功率 那么效率就等于输出功率除以输入功率 那么所以我们从上面这三个式子中可以看出 那么功率可以通过调节两个参数来调节 第一个参数 就是它的一个频率 那么第二个参数就是每个周期所储存的能量 也就是说从公式一中可以看出 是它跟它的一个原边的峰值电流有关的 所以输入功率可以通过两个参数来调节 一个就是开关频率 第二个就是原边的峰值电流 那么对于连续或者说临界电流模式 所带来的一个好处 就是我们可以实现谷底开关 那么现在的大多数的一个控制器 都能保证我们所设计的一个变换器工作 一定是工作在 DCM 或者说临界模式的 那么它会检测辅助绕组的一个过零点 一定要等到一个过零点 它才会开始下一个周期的动作 那么这样的一个控制思维 就有效的保证了整个变换器在整个负载范围内 一定是工作在 DCM 或者 TM 模式的 那么谷底开关所带来的一个好处就是 它的效率的会更好 同时对 EMI 也更有好处 那么芯片的一个最大的一个开关频率的一个设计 就决定了整个变换器一个 最低的最小的一个开关周期 那么下面我们来看一下不同的一个控制模式 那么首先是一个断续定频的一个模式 那么断续定频，顾名思义 那频率一定是固定的 那输出 调整输出功率是通过 调节原边的峰值电流来调节的 那么这样做的这种控制方式的一个优点 就是它的一个频率一直是固定的 这是这是它的优点 那么但是它的缺点包括效率不好 然后待机功耗更高 然后它的一个动态的一个调节范围会更窄 因为它只能通过调节原边的 一个峰值电流来调节输出 所以它的一个动态范围会更窄 那么第二种控制模式是 DCM 断续模式 变频的一个控制 从右上面这张图上我们可以看出 它的一个频率有一个最低的一个开关频率 有一个最高的一个开关频率 那么它的一个原边的峰值电流 有一个最低的一个原边峰值电流 有支持一个最大的原边峰值电流 那么所以它的一个峰值电流是可以调节的 然后开关频率也是可以调节的 那么我们在设计的时候 通常是保证在最低的输入电压的时候 满载情况下工作在临界电流模式 那么这种控制模式的一个好处包括 它的原边的一个电感一定是最小的 那么它的效率会比较好 那么在整个负载范围内的效率都会比较好 那么它是一个最好的一个电流控制的一个模式 但是它的坏处包括 它的开关频率的变化范围非常大 可能是轻载和满载的时候 相差一百倍也是有可能的 那么第三种模式就是临界模式 或者断续模式变频的这样的一个控制 那么同样的它的原边峰值电流可以调节 开关频率也是可以调节的 那么它支持在不同电压下满载的时候 工作在临界电流模式 那么这种控制模式的好处就是 满载的时候效率非常的好 那么缺点在于 跟上面的一个变频的 DCM 变频的一个控制比较起来 它的电感量会比较大 同时它的开关频率的范围也会比较宽 另外一个缺点是因为是临界电流模式 那原边不可避免的一个工频的纹波 会直接反映到输出来 那么所以这个输入的一个调整率不会很好 那么现在我们看第二部分 原边控制这样的一个概念 它包括了输出恒压和输出恒流 它可以同时实现输出恒压和输出恒流 那么对于原边反馈这样的一个方式来看 这样的一个控制模式来看 右边这张图上给出了它的一个典型的 一个输出的一个特性图 那么它可以在零到 OC 点这样的一个范围内输出实现恒压 在输出电压到一个 shut down 点 VOHU 这样的一个输出电压下 我们测 CV 我们测的时候电子负载是设到 CV 的时候 那么这样一个电压范围内是实现恒流 那么 OV 就是输出的一个 hold up 这个电压 跟各个芯片的一个设定有关 有的芯片是有一个固定的这样的一个点 另外的一个另外一些芯片 它这个点就是跟你的变压器的一个匝比有关系 跟你的输出电压和和芯片的一个 UVLO 这样的一个电压设定有关系 那么我们看一下原边反馈对于整个线路 所带来的一个元器件方面的一个好处 那么左边这张图是一个带光耦反馈的 副边反馈的一个线路 那么右边就是原边反馈的一个线路 那么从中可以 我们可以看到它的光耦 它的431以及反馈线路都可以直接去掉 它的431以及反馈线路都可以直接去掉 那么整个线路显得非常的简洁 用更少的器件 所以它的一个成本会更低 那么可靠性会更高 那么但是由于因为器件更少了 反馈没有了 它的设计的灵活性可能会不如前者 那么对于原边反馈 它是怎么来实现输出恒压和输出恒流的 它是怎么来实现输出恒压和输出恒流的 我们首先看右边这张图上 因为我们的控制器有一个 VS 脚 通过辅助绕组和副边绕组的一个耦合关系 来采样到输出电压的一个信息 从而实现输出的一个稳压 我们来看一下实际的一个应用 那么我们采样的一个 这是一个辅助绕组上 这样的一个实际的一个波形 这样的一个实际的一个波形 那么首先它可能有漏感引起的一个尖峰 那么另外是 MOS 管的结电容 引起的一个断续的时候一个振荡 那么这个斜坡 这个斜坡是由于原边 副边绕组的 ESR 跟副边电流乘积 所带来的一个斜坡 那么我们想采样的一个比较好的一个输出电压点 那么我们认为是在圆圈里面这样的一个点 这个点，副边的一个电流刚好降到零 那么副边的 ESR 的影响就可以消除 那么同时副边二极管的管压降在电流为零的时候 也有一个相对比较好的一个值 那么我们 所以我们取这样的一个点 就是刚好消除的这样一个点 认为它是一个比较真实的一个输出电压 那么我们采用了这样的一个电压 来输入给芯片 那么芯片在内部做补偿 做采样，做补偿 从而实现那个输出的一个恒压 那么这是我们刚才说的一个采样的一个过程 那么首先我们通过辅助绕组 采样了输出电压的信息 那么给到芯片内部的一个运放和控制 那么得到一个输出恒压这样的一个关系 那么从中我们可以看到 我们所采用的一个输出电压的信号 一定是在一个开关的一个过程中来采样的 那么我们的开关频率 会有一个非常宽的一个范围 很多时候都是大于100:1这样的一个范围 为了待机功耗的要求 那么 所以我们的原边反馈有一个缺点 就是因为它只能采样 在当非常轻的负载的时候 它的开关频率非常的低 那么它所带来的一个动态的一个问题 那么这个就是我们来稍微解释一下 就是原边反馈动态的这样的一个过程 因为我们刚才讲了 原边反馈的时候 它的一个采样一定是在 开关周期这样的一个过程来采样的 那么我们假设这样呢 这是一个轻载的 是一个最低的一个开关开关频率 是一个最低的一个开关开关频率 那么当输出负载从零突然加到重载的时候 那么我们这个芯片只有在下一个开关周期的时候 才会看到一个新的一个 采用了一个新的电压的一个信息来做反馈 那么在负载从零跳变的时候 到下一个周期开始的时候 那么输出电压所带来的一个 输出电压所带来的一个降幅 都就是由我们的一个输出电容来决定 所以原边反馈通常时候 大家看到原边反馈的时候 它的输出电容用的都会比较大 就是由于这个动态的一个性能的一个要求 那么原边反馈的一个电压误差源 就包括了一个我们的一个 reference 的一个参考 参考的一个误差 我们的误差放大器 以及我们所用的一个电阻的一个精度 也包括了一个整流二极管的这样的一个压降 包括了你的变压器的一个耦合 然后包括了一个电压采样的一个误差 那么综合以上所有的这些误差的误差源 那么总的来说原边反馈 可以做到±5%这样的一个精度 那么看完了输出恒压的这样的一个控制方式 输出恒压的原理 我们再来看一下输出恒流的一个概念 那么我们知道 我们先看右边这张图 上面是原边的一个电流 下面是副边的一个电流 我们知道输出的一个平均电流 就可以用这样的一个公式 来计算它等于1/2副边的一个 peak 电流 乘以它这个副边的这样的 一个电流的这样的一个占空比 那么副边的 peak 电流 副边的峰值电流跟原边的峰值电流 是成直接的一个匝比的一个关系 所以说我们可以得到输出电流跟原边的峰值电流 以及跟副边的这样的一个消磁的 这样的一个占空比有关系 那么我们设计的时候 可以通过合适的一个 RCS 电阻 来设计原边的一个峰值电流 那芯片同时可以保证这样的一个 负边消磁的这样一个占空比 呈一个恒定值 那么因为这两项 原边峰值电流恒定 那么这个副边的一个占空比 这样的一个就是比值恒定 那么输出电流也就恒定了 那么同样的我们可以做到±5%的这样一个电流精度