基于FPS e-Series的高效解决方案

　　由于具有成本低、体积小的优点，反激式因此成为电源转换最流行的拓扑之一。单开关元件虽可降低总体成本，可是在硬开关工作模式下，却会增加开关损耗。关于软开关技术的众多文章和专利，大都是研究适用于中等功率或大功率应用的两个或更多个开关元件。工程师需要一种适用于低功率应用或单开关元件的软开关方法，来提高有源模式的效率。

　　为了降低开关损耗以提高总体效率，飞兆半导体的功率开关 FPS e-Series 采用了通常被称为准谐振开关技术的谷底导通 (valley switching) 技术。利用FPS e-Series可以获得很好的EMI(电磁干扰)性能和很高的效率，因为这种开关元件通常在漏源电压降至局部最小值的瞬间导通。FPS e-Series 的主要优势之一，是在整个输入电压和负载电流范围内，工作频率只有少量变化，这是因为开关消隐时间(t_B)和谷底检测窗口时间(t_W)会让工作频率保持在狭窄的范围内。此外，FPS e-Series的增强保护功能可在异常情况下提高转换器的可靠性。

　　FPS e-Series 是集成了混合 PWM控制器和Sense FET的产品。这种混合 PWM 控制器整合了传统的 PWM 控制器和准谐振控制器。根据输入电压和负载电流条件，FPS e-Series 可以工作在频率恒定的连续传导模式 (CCM) 或谷底导通不连续传导模式 (DCM) 下，而传统的准谐振IC始终工作在 DCM 模式下，以找出预先确定 (第一或第二个) 的漏源电压谷底值。

　　利用传统的准谐振IC，可以降低转换器的开关损耗，因为在导通瞬间电容性损耗减小。然而，由于小负载条件下预先确定的谷底导通(如始终第一个谷底导通)会导致工作频率提高，故即使最初采用准谐振方法的目的是为了减小开关损耗，在小负载条件下开关损耗也只会增加而非减小，如图 1 所示。同时，FPS e-Series 的工作频率受限于谷底检测窗口时间 t_W，如图 2 所示。基本上，开关元件在漏源电压局部最低值瞬间导通。一旦开关元件导通，开关消隐时间tB期间的谷底电压被忽略。换言之，在t_B期间禁止下一次导通。t_B之后，只在 t_W期间检测谷底。如果t_W期间没有谷底被检测，开关元件被强迫导通，如图2(D)所示。若输出电流过高或输入电压过低，将进入工作频率恒定的 CCM 工作模式。因此，相比传统准谐振 IC，不管输入电压和负载电流是否变化，开关频率都保持在tB和tW定义的狭窄范围内。这时，小负载条件下的开关损耗就不会再增加了。

图1 依据负载条件而变化的常规准谐振转换器的工作频率 

图2 依负载条件而变化的FPS e-Series工作频率

　　FPS e-Series可以同时实现高效率和低EMI。导通瞬间的漏源电压低是首要原因。第二个原因如图 3 所示。在交流/直流转换器中，输入端应该有一个整流电路，包含整流二极管和链电容 (link capacitor)。因此，在链电压上应该有120Hz(或 100Hz) 的电压纹波，这正好是 60Hz (或 50Hz) 的电力线频率的两倍。输入电压一定时，漏极电流在峰值纹波处显示出最陡斜坡曲线，这样一来，t_W中的谷底很早出现，亦即在给定工作条件下，转换器工作在最高工作频率。漏极电流的斜坡随输入电压的减小而逐渐下降至最低纹波点，这使tW的谷底向右移动，假设反馈信号不改变。工作频率逐渐降低，直到线路电源开始向链电容充电。只要链电压上的纹波存在，这个过程便不断重复。因此，工作频率表现出随纹波的周期性变化，这被称为“固有频率调制功能”。它对采用更小的滤波器以减小EMI的应用十分有效。

图3 依直流链电压纹波而变化的工作频率

　　要找出谷底电压，需使用偏置线圈电压，如图 4 所示。在引脚“Sync”和偏置线圈之间需要几个外部元件。为了进一步解释如何检测谷底电压，假设只增加三个电阻。偏置线圈电压可反映无直流偏移的漏源电压 (对应于直流链电压) 的信息，如图 4(b)所示。利用匝数比 N_a/N_p和分压器 R_a、R_b及 R_c，可以在引脚“Sync”上观察到数百伏曲线状漏源电压按比例减小，这里N_a和N_p分别是偏置线圈和初级线圈的匝数。由于控制 IC 通常不能接受超过 -0.3V的负电压作为输入，故必须去掉图4(b)中的负值部分。这就是增加二极管 Da及分压器包含三个而不是两个电阻的原因。图 4(c) 从额定电压的角度显示了 D_a 的安全波形。但不幸的是，最重要的信息，亦即谷底位置消失了。现在，电容C_a发挥作用，引脚“Sync”上观察到的电压被延迟一个恒定时间，该时间由C_a和分压器决定，如图 4(d) 所示。考虑到内部延时 (200ns)，用户可以把V_sync达到最小阈值电压Vthl的时间调节到漏源电压谷底。

图4 检测谷底

　　FPS e-Series具有多种保护功能，可提高系统总体可靠性。比如通过减小开关关断延时，增加了过载保护(OLP)和异常过流保护 (AOCP) 功能。在输出终端或次级二极管短路时，这些保护功能有助于保护 IC 免受损害。减小开关关断延时还有利于减少因输入电压引起的功率失衡。因为使用了V_sync来代替 V_cc判断是否触发过压保护，使过压保护功能变得更加准确。V_cc包含了相关负载条件以及输出电压的信息，而V_sync只反映输出电压的信息。热关断(TSD)功能也被采用，以保证 IC 的温度在绝对额定温度之下。此外，该系列产品还具有带滞后的欠压锁定 (UVLO)、前沿消隐(LEB)及软启动功能，用以确保 IC 的正常工作。

　　相比分立式 MOSFET 和 PWM 控制器，FPS e-Series 可降低总体成本、减小体积和重量，同时提高效率、产能和系统可靠性，非常适用于具成本效益的谷底导通反激式转换器设计。■