开关电源-原边反馈技术(绝对实用).ppt

电源高级 原边反馈技术 V1 1 2020年1月31日星期五 1 数字电源设计技术交流 概要 2020年1月31日星期五 数字电源设计技术交流 2 PSR简介PSR的输出检测方法PSR特有的问题 原边反馈 PSR 简介 2020年1月31日星期五 数字电源设计技术交流 3 在小功率消费类电子应用中 反激式电源是主流 因为反激式电源非常适合小功率段 同时天然提供了隔离的效果 隔离后 如果要检测输出的情况 需要用隔离元件 比如光耦等 这样就增加了电源的成本 光耦本身的寿命也会成为电源的瓶颈 基于此 开发出了原边反馈技术 原边反馈不从输出直接采样 而是从初级线圈采样 通过初级线圈的情况来计算次级线圈的情况 进一步推算输出的情况 部分信息难以从初级线圈直接得到 因此通常还使用一个辅助线圈 辅助线圈和初级线圈共地 和次级隔离 初级线圈 次级线圈 辅助线圈 辅助线圈的用途 2020年1月31日星期五 数字电源设计技术交流 4 增加辅助线圈会增加成本和复杂度 因此 最好能让辅助线圈完成更多的工作 一般辅助线圈都同时做2件事情 反映初级线圈和次级线圈的情况 辅助线圈通过电阻分压 将原边和副边的电压情况反映在VSES点 此时辅助线圈和原边 副边构成变压器 和初级线圈形成一个反激结构 给IC供电 由于反激结构本身无法恒压 因此要加一个限压的二极管 供电结构只是一个附带的功能 很多时候是没有的 IC由其他电路供电 IC VSES VCC 不使用辅助线圈是否可行 2020年1月31日星期五 数字电源设计技术交流 5 如果不要求辅助线圈供电 那么是否可以用其他检测方法 比如在初级线圈上检测来做原边反馈 理论上是可行的 思路如下 在初级线圈上并联一个高阻支路 对初级线圈进行采样 同时提供TOFF期间初级线圈的回路 考虑到检测电压必须为正 因此有两种基本形式 如下图 VSES ON VSES OFF VSES OFF 全周期检测 MOS关闭期间检测 检查输出信息的方法 2020年1月31日星期五 数字电源设计技术交流 6 原边反馈不能得到所有的输出信息 但可以得到较多的输出信息 不能得到输出电流信息 但可以得到初级的电流信息 不能直接得到输出电压信息 可以通过辅助绕组来得到输出电压信息 IL ISES G VD VSES ID ID ISES IL VD G VSES 可检测性 2020年1月31日星期五 数字电源设计技术交流 7 电感两端电压太高 检测IL和VD很困难 通过ISES和VSES检测 考虑到隔离要求 次级电流和输出电压不能直接检测 只能通过其他值计算出来 概要 2020年1月31日星期五 数字电源设计技术交流 8 PSR简介 PSR的输出检测方法PSR特有的问题 PSR输出电压计算 2020年1月31日星期五 数字电源设计技术交流 9 MOS管关断后 变压器中储存的能量都由次级和辅助线圈释放出来 次级线圈和辅助线圈形成变压器 此时VSES上的电压为 VD和次级线圈的电流有关 电流越小 VD越小 电流为0时 VD为0 因此 在去磁点时刻 VO电压为 VSES VD VO VSND 去磁点时刻 次级线圈和辅助线圈电流为0 VD为0 VSES 膝电压的定义 2020年1月31日星期五 数字电源设计技术交流 10 当流过次级二极管的电流为0后 变压器退磁 此时VD比VIN高一个反射电压 初级电感和寄生电容形成的LC电路开始震荡 初级电感上的电压将从VD VIN开始 以正弦方式往下降 这样 在VSES上看到的电压将呈现出一个膝盖状 因此 将退磁点电压称为膝电压 因为正弦起始点处的斜率为 1 膝电压就是电压斜率从负载消耗导致的斜率变化到 1的时刻的电压 VSES 膝电压 T TON TOFF TDEAD PSR输出电流计算 2020年1月31日星期五 数字电源设计技术交流 11 MOS管关断后 变压器中储存的能量都由次级和辅助线圈释放出来 此时次级的平均电流为 ISND PK无法直接测到 只能由ISES PK近似换算得到 TOFF的测量也依赖于膝电压的时刻 但是需要的不是电压值 而是膝点的时刻 ISND PK IPK SES IOUT AV ISES PK 电流和电压检测的共同点 2020年1月31日星期五 数字电源设计技术交流 12 共同之处就是都需要检测到膝点 对于电流来说 检测到膝点 然后根据膝点和开关管断开的时刻计算出TOFF 加上ISES的电流 就能算出平均输出电流 对于电压来说 需要检测到膝点的电压 具体的方法就是检测到膝点 然后看当前时刻VSES上的电压 从而根据匝比得出当前时刻的输出电压 膝点检测算法 2020年1月31日星期五 数字电源设计技术交流 13 有2种检测方法 一种是从前往后检测 另一种就是从后往前检测 从前往后检测 是通过延迟 或者是斜率转变的方法来找到膝点的时刻 从后往前检测 是利用膝点后谐振频率固定的特点 从过零点反推膝点的位置 延迟法 斜率法 谐振法 T 2 T 4 TOFF TDEAD 各方法对比 2020年1月31日星期五 数字电源设计技术交流 14 延迟法 从TOFF开始 延迟一段时间 检测VSES 这个方法可想而知是非常不精确的 因为TOFF的时间变化很大 检测斜率法 检测VSES的斜率 通过波形分析算法找出膝点 这个方法只有在TOFF区间的斜率和TDEAD区间的斜率存在明显差别时才管用 而且由于在TDEAD区间 振荡是呈正弦曲线 膝点处不存在斜率转折 必须依靠某种算法来推算出膝点 谐振反推法 膝点后 初级电感的谐振会传到辅助线圈 检测辅助线圈的过零点可以得知谐振频率 用过零点的时刻减掉1 4周期 就是膝点 这个方法用于测时间恒流还是比较简单的 用于恒压时必须将电压的检测转变为时间的检测 谐振反推法实现恒压 2020年1月31日星期五 数字电源设计技术交流 15 谐振后 检测次级线圈的过零点就能得知谐振周期 因此 当输出电压恰好等于参考电压时 VSES和VREF的交点到过零点的时间TFB也应该恰好等于1 4谐振周期TR 如果TFB比TR 4大 说明输出电压较低 以至于VSES和VREF的交点提前了 反之 如果TFB比TR 4小 说明输出电压较高 以至于VSES和VREF的交点推迟了 VZC表示过零点阈值 并不是0V 通常为一个非常小的电压 比如0 125V之类的 VREF VZC TR 4 TR 2 TR 4 TR 4 斜率法和谐振反推法的对比 2020年1月31日星期五 数字电源设计技术交流 16 注意到斜率法和谐振反推法是优缺点互补的 如果TOFF和TDEAD期间的斜率差别越大 越适合用斜率法 如果TOFF和TDEAD期间的斜率差别越小 越适合用谐振反推法 实际上 TOFF期间的斜率通常很小 以至于噪声对VSES和VREF交叉点的检测有很大的影响 如果采用谐振反推法 必须有某种消除噪声的方法 使用谐振反推法还要注意一点是 由于膝点前后斜率差别较大 TFB偏大和偏小时 误差时间TERR TR 4 TFB在大于0和小于0的时候具有完全不同的环路增益 斜率越低 输出电压变化导致的时间变化差距越大 环路增益越高 也就是说 当输出电压小于基准电压时 环路增益高 当输出电压大于基准电压时 环路增益低 将PSR技术用于非隔离拓扑 2020年1月31日星期五 数字电源设计技术交流 17 通常来说 非隔离拓扑可以直接检测输出VO 没必要使用复杂的PSR技术先检测VSND 然后计算VO 但有一种情况例外 就是需要一个IC同时支持隔离和非隔离的时候 从市场的角度来说 隔离和非隔离都是需要的 如果用相同的技术来解决 无疑可以节省大量研发成本 VSES VO VSND IC VSES VO VSND IC VSES H VO VSND IC VSES L 概要 2020年1月31日星期五 数字电源设计技术交流 18 PSR简介PSR的输出检测方法 PSR特有的问题 PSR固有的问题 2020年1月31日星期五 数字电源设计技术交流 19 检测的非实时性 每个切换周期 只有一次正确检测输出电压的机会 不能像其他非隔离型拓扑一样可以随时随地的检测输出 而且这个输出电压的检测还依赖于变压器的退磁 变压器的退磁点未到来之前 输出端发生的任何变化都无法被检测 线缆压降 能得到电压只是电容两端的电压 而不是负载两端的电压 当次级存在明显的寄生电阻时 检测到的电压会明显偏低 去磁点时 流过二极管的电流为0 电容两端的电压等于副边的电压 但是流过寄生电阻的电流不为0 负载上的电压要小于检测到的电压 负载 去磁点时两处电压相等 负载突变的问题 2020年1月31日星期五 数字电源设计技术交流 20 检测的非实时性主要体现在负载突变时 比如热插拔 在充电器领域 热插拔是必须支持的 在LED领域 热插拔也是有必要支持的 很多规范都要求热插拔 热插拔包括空载 满载 和满载 空载两种极端情况 真实情况下 并不是每次都是满载 但如果能支持满载 空载切换 必然可以支持其他切换 空 满的切换会导致输出跌落 满 空的切换会导致输出过冲 要避免这两种情况 必须使用非线性控制 IC检测到热插拔后 立即调整控制策略 热插 热拔 热拔 2020年1月31日星期五 数字电源设计技术交流 21 如果在TOFF区间 也就是次级输出时热拔 相当于次级的负载阻抗突然升高 此时会有个小的电压突变 随后所有的能量会在电容上聚集 输出电压将升高 如果在非TOFF区间热拔 除了看不到小的电压突变 导致的最终结果和前面是没有区别的 此处输出空载 此区间输出空载 假负载 2020年1月31日星期五 数字电源设计技术交流 22 如果不能保证每次都能检测到且能处理好热拔 就必须在输出上加上假负载或稳压管 让其能承担泄放工作 假负载一般使用电阻 电阻值要小心选取 过大了泄放效果不好 过小又制造大功耗 负载 假负载 负载 稳压管 热插和短路判断 2020年1月31日星期五 数字电源设计技术交流 23 热插时 负载突然变小 输出电压会跌落 电源需要输出更多的能量到次级 但是要区分热插和短路 不光要区分热插和短路 在任何时候都需要判断是否短路 短路时 TOFF时间会变得很短 可以通过检查TOFF开始到VSES过零点的时间来判断 或者通过TOFF区间的斜率来判断 如果输出不在TOFF期间发生短路 就得等到下一个TOFF才能检测到 在短路后 输出电容会有很大的电流 这个大电流如果持续时间过长 导致电容温升 会对电容的寿命会有一定的影响 所以能尽早的检测TOFF是很重要的 假设需要一两个周期才能检测到短路 是否会对电容寿命产生不利影响 这个目前不清楚 区分热插 短路 开机 2020年1月31日星期五 数字电源设计技术交流 24 这3者都表现为输出要吸收大量能量 但三者的处理方法却不能相同 热插需要稳压 减少跌落的幅度和持续时间 短路需要识别到 并采取保护措施 而开机则需要控制输出平稳的增加 这三者主要的区别有 初始状态的不同 热插的初始状态为空载 短路的初始状态为任意 开机的初始状态为初始态