原边反馈反激式变换器PSR Flyback Converter

1、2022/2/11Primary side regulated flyback AC-DC2022/2/122022/2/131、PSR技术简介采用传统次级端调节反激式转换器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2022/2/14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

2、在一个低频极点（20-30kHz） this low frequency pole complicates the feedback loop design and limits the crossover frequency 2022/2/15PSR（Primary-Side-Regulation ）： 原边调制1.2 PSR1.2 PSR技术的优点技术的优点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更为高效和优化2022/2/16PSR的典型输出特性曲线PSR 反激式变换器的典型输出V-I 特性2022/2/17n笔记本、手

3、机、数码相机等数码产品的锂电子电池的充电器n计算机（PC）的辅助电源nLED 驱动1.3 PSR1.3 PSR的应用的应用2022/2/182、PSR技术的原理技术的原理2.1 flyback 2.1 flyback 变换器的基本原理变换器的基本原理Flyback 变换器的原理图2022/2/19DCM模式下的电压、电流波形Flyback 变换器的原理图开关管M导通时：原边电流线性增加，斜率为能量储存在原边INPVL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OSVL2222/()222ININ onP PKPINonPPVV tL iLPE TtTTLTL2OOLVPRINO

4、PP2LOINonPRVVtTL2022/2/110,PD pkpkSNIIN,2D pkDD avgSItIt,OD avgII2DPOpkSStNIItN2.2 2.2 如何在原边获取如何在原边获取VoVo、IoIo的信息的信息Io的信息反映在原边峰值电流的信息反映在原边峰值电流Ipk2022/2/1112.2 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上上副边电流为副边电流为0时时()AAOFSNVVVN0FV AAOSNVVN()PDINOFSNVVVVNPDIN

5、OSNVVVN原边绕组电压辅助绕组电压2022/2/1122.2 2.2 如何在原边获取如何在原边获取VoVo、IoIo的信息的信息AAOSNVVNPDINOSNVVVN原边绕组电压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所以一般是通过辅助绕组检测Vo的信息2022/2/1132.2 2.2 如何在原边获取如何在原边获取VoVo、IoIo的信的信息息Vo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VAAAOSNVVN2DPOpkSStNIItNIo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能在原边检测能在原边检测Vo、Io的信息的

6、信息2022/2/1142.3 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222INonLLOINonPsPPsPLPpksVtRRVVtLt LLt LR LItPSR的输出电压的输出电压PFM方式：方式：PWM方式：方式：保持pkI不变，检测LR调整St保持不变StINonVt调整开关频率不固定开关频率不固定开关频率固定开关频率固定两种恒两种恒压方式压方式根据LR2022/2/1152.3.1.1 PWM 恒压（恒压（CV）原理）原理2LOINonsPRVVtt LPSR的输出电压的输出电压INVStPL确定确定LRo nt调整调整

7、LRont调整调整Vo恒定恒定INVStPL确定确定LRont调整调整Vo恒定恒定调整调整INVont保持不变St开关频率固定开关频率固定2022/2/116PWM方式恒压原理图2022/2/117CV：其他条件不变，RL变化时的调整过程2022/2/118CV：其他条件不变，VIN变化时的调整过程2022/2/119PWM 恒压（恒压（CV)模式下，模式下，在在 最小并且满载时最小并且满载时2LOINonsPRVVtt LPSRPSR的输出电压的输出电压INVont导通时间导通时间 达到最大值达到最大值消磁时间消磁时间 达到最大值达到最大值Dt满载时满载时 最小最小LRStOVPL不变不变，

8、导通时间导通时间 达到最大值达到最大值ont满载时满载时 最小最小LRStOVPL不变不变，达到最大值达到最大值INonVtINV最小最小INonpkPVtILOPpkDSSVNItNL达到最大值达到最大值pkIDt达到最大值达到最大值2022/2/120PWM 恒压（恒压（CV)模式下，模式下，在在 最小并且满载时最小并且满载时INV 导通时间导通时间 ton 达到最大值达到最大值消磁时间消磁时间 达到最大值达到最大值Dt2022/2/1212.3.1.2 PFM 2.3.1.2 PFM 恒压（恒压（CVCV）原理）原理PSR的输出电压的输出电压保持不变pkI开关频率不固定开关频率不固定2L

9、POpksR LVItLROVstOV负反馈负反馈2022/2/122PFM PFM 恒压（恒压（CVCV）调整过程）调整过程2022/2/1232.3.2 2.3.2 恒流（恒流（CCCC）原理）原理PSR的输出电流的输出电流2DPOpkSStNIItN2DpkStItPSNN固定时固定时维持维持不变不变实现恒流实现恒流两种恒两种恒流方式流方式PFM方式：方式：PWM方式：方式：保持pkI不变，检测Dt调整St保持不变StDpktI调整使其不变开关频率不固定开关频率不固定开关频率固定开关频率固定2022/2/124PFMPFM方式恒流原理图方式恒流原理图保持pkI不变，检测Dt调整St开关频

10、率不固定开关频率不固定OPpkDSSVNItNLIpk固定，检测出Vo相当于检测出PLSL2022/2/125PFM方式恒流调整过程方式恒流调整过程2022/2/126PWMPWM方式恒流原理图方式恒流原理图保持不变StDpktI调整使其不变开关频率固定开关频率固定实现方式有多种实现方式1DpktI实现PLSL2022/2/127实现方式实现方式1 1的恒流调整过程的恒流调整过程2022/2/128PWM恒流实现方式恒流实现方式2原理图原理图保持不变StDpktI调整使其不变实现方式2（见专利 US 2008/0112193)开关频率固定开关频率固定2( )(1)SSSOPpkDNRt INV

11、ntn根据第根据第n-1个周期个周期的消磁时间的消磁时间 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DtpkSVR22SDPOpkpk DO SSSPNtNIII tI ttNNp kp kSVIR2SSSOPpkDNRt INVtPLSL2022/2/129实现方式实现方式2的恒流调整过程的恒流调整过程2022/2/130PWM恒流实现方式恒流实现方式3原理图原理图保持不变StDpktI调整使其不变Dt实现方式3（见专利 US 7505287)开关频率固定开关频率固定根据第根据第n-1个周期个周期的消磁时间的消磁时间 以及以及输入电压输入电压 确定确定第第n个周期的导通时间个周期

12、的导通时间inVont22SDPOpkpk DO SSSPNtNIII tI ttNNINp ko nPVItL2()(1)(1)SPSOPo ninDNL t INtnVntn2SP SOPoninDNL t INtVtPLSL2022/2/131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：负载不变，输入负载不变，输入Vin变化时：变化时：2022/2/1322.4 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为例说明恒压和恒流之间的切换过程恒压（CV）PWM方式恒流（CC）

13、PFM方式具有CV和CC功能的PSR（PWM方式实现恒压；PFM方式实现恒流）恒压恒流？2022/2/133恒压（CV）时实际起作用的电路部分恒压（CV）时没有起作用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（PWM恒压原理可参考2.3.1.1小节）PSR恒压工作（CV）时pkEVVpkEVV功率管M的关闭由比较器1决定PSR工作在工作在PWM方式恒压方式恒压2022/2/134恒流（CC）时不起实际作用恒流（CC）时起实际作用OSC根据输出电压Vo调整脉冲的频率；CC时Vo变化，OSC根据采样到的Vo信息调整输出脉冲的频率（PFM恒流原理可参考2.

14、3.2 小节）PSR恒流工作（CC）时pkEVV功率管M的关闭由比较器2决定PSR工作在工作在PFM方式恒流方式恒流2022/2/135RL减小（负载加重）EVEpkVV开始由CV向CC切换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2022/2/1363、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) 前沿消隐前沿消隐 （5 5）如何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

15、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VoVo （7 7）对输出整流二极管）对输出整流二极管D D的温度补偿的温度补偿 (8) zero-voltage switching (8) zero-voltage switching 2022/2/137（1）低启动电流，较大的UVLO窗口齐纳二极管（Zener）串联，施密特触发器实现滞回窗口 VDD达到开启阈值POR信号 打开模拟电源供电和数字电源供电VDD未达到开启阈值POR信号 关闭模拟电源供电和数字电源供电低启动电流低启动电流2022/2/138（2）EMI 问题跳频技术（frequency hoppin

16、g）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EMIEMI：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）2022/2/139（3）轻载时的效率 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2022/2/140（4）前沿消隐（LEB）开关管导通瞬间存在电流尖峰 可能导致芯片误操作 电流比较器在开关导通后的一小段时间不工作 ，避免误操作设计前沿消隐电路（Lead Edge Blank） 2022/2/141（5）检测副边的消磁时间副边电流的过零点辅助绕组振铃电压的过零点转化2DPOpkSStNIItN检测消磁时间的重要

17、性2022/2/142（6）如何在原边检测输出电压Vo输出整流二极管D的非线性 次级端存在寄生电阻R引起的IR压降 在原边精确检测输出电压Vo很困难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 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 2022/2/143（7）对输出整流二极管D的温度补偿21211122()SAOFREFOREFFSANNRRRVVVVVVNRRRNFV没有温度补偿时：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：2121121211212()AOFTREFSSSOREFFTAANRR RVVIVNRRRRNR NRRVVVIRNN负温度特性， 正温度特性，互相抵消，