過(guò)去幾年，由于USB Type-C PD充電協(xié)議的廣泛使用，加之GaN技術(shù)的普及，使得基于GaN的PD適配器具有更廣泛的兼容性和更便攜的形態(tài)，小功率電源適配器市場(chǎng)更是如火如荼。

其中，較為流行的功率等級(jí)有20W(蘋(píng)果12的最大充電功率)，30W(蘋(píng)果13的最大充電功率)以及65W(大多數(shù)筆記本的運(yùn)行功率)。 這些充電器或適配器普遍采用了基于準(zhǔn)諧振反激(Qausi-resonant Flyback)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這得益于反激變換器的高性價(jià)比，較少的功率器件和輸入輸出隔離等優(yōu)點(diǎn)。

準(zhǔn)諧振反激是利用開(kāi)關(guān)管的谷底開(kāi)通技術(shù)，減小了開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通損耗，進(jìn)一步提高適配器的效率。 市面上主流的65W電源適配器均采用了準(zhǔn)諧振反激，如thinkplus 65W口紅電源，倍思65W 2C1A充電器等。

接下來(lái)我們將從原理上討論什么是反激變換器，反激變換器常見(jiàn)的三種工作模式，以及討論準(zhǔn)諧振反激的參數(shù)設(shè)計(jì)。

什么是Flyback

Flyback反激變換器是標(biāo)準(zhǔn)升降壓變換器的衍生拓?fù)洌潢P(guān)鍵器件包括輸入電容Bulk-cap，開(kāi)關(guān)管MOSFET，變壓器，整流二極管以及輸入電容等，因此其功率器件較為精簡(jiǎn)，性價(jià)比較高。 對(duì)于小功率，低附加值的產(chǎn)品，flyback是首選拓?fù)洹?/p>

反激變換器屬于開(kāi)關(guān)電源，開(kāi)關(guān)電源的工作本質(zhì)是利用開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，將輸入能量“斬”成一個(gè)一個(gè)的能量包，傳送到輸出，并通過(guò)控制能量包的大小以及傳送的頻率來(lái)控制輸出。 Flyback也遵循了這一基本原理，變壓器為能量包的儲(chǔ)能元件。 開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓施加在變壓器原邊，并對(duì)原邊電感Lp充電，能量以磁能的形態(tài)儲(chǔ)存在變壓器磁芯中; 開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)，磁芯的能量利用副邊電感以及續(xù)流二極管傳輸?shù)礁边叄瑢?shí)現(xiàn)一個(gè)周期的能量傳輸。

圖1 反激變換器

這個(gè)過(guò)程可以分為儲(chǔ)能和釋能兩個(gè)階段：

儲(chǔ)能階段：

儲(chǔ)能階段發(fā)生在MOSFET導(dǎo)通時(shí)期，此時(shí)輸入電壓施加在變壓器原邊Lp，電壓為上正下負(fù)，原邊電流線性上升并為變壓器儲(chǔ)能。

由于反激變壓器原副邊同名端反向，因此副邊為上負(fù)下正，二極管反向偏置，輸出電容為負(fù)載供電。 二極管的偏置電壓為輸出電壓與變壓器副邊電壓之和，該電壓值決定了二極管選型時(shí)的反向電壓Vd。

圖2 MOS管導(dǎo)通-儲(chǔ)能階段

二極管反向耐壓Vd為：

釋能階段：

釋能階段發(fā)生在MOSFET關(guān)斷時(shí)期，此時(shí)變壓器原邊開(kāi)路，變壓器副邊電壓為上正下負(fù)，二極管正向偏置，儲(chǔ)存的能量由二極管續(xù)流到負(fù)載，二極管電流線性下降。

原邊MOSFET兩端的電壓為原邊電感電壓和輸入電壓之和，該電壓值決定了MOS管選型時(shí)的漏源極耐壓Vds。

圖3 MOS管關(guān)斷-釋能階段

MOS管漏源極電壓Vds為：

可以看到，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，變壓器原邊和副邊并不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，因此其實(shí)質(zhì)上是一個(gè)耦合電感，耦合的緊密程度影響到能量從原邊傳輸?shù)礁边叺男省?在變壓器繞制中，工程師會(huì)采用三明治繞法，原副邊交替繞制以提高耦合程度。

當(dāng)然，實(shí)際設(shè)計(jì)中仍然會(huì)有一部分原邊電感未能耦合到副邊，這部分電感稱之為漏感Lleak。 在MOS管關(guān)斷的階段，漏感能量并不能耦合到副邊，其電感與MOS管的寄生電容形成諧振，對(duì)EMI和開(kāi)關(guān)管耐壓造成影響。

理論上，MOS管的耐壓只與輸入電壓，輸出電壓和匝比相關(guān)(如上公式)。 但是由于漏感的存在，諧振尖峰會(huì)在MOS管關(guān)斷時(shí)造成脈沖高壓，帶來(lái)MOS管擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。 因此在電路設(shè)計(jì)中，需要加入吸收回路或鉗位電路進(jìn)行抑制。 在小功率適配器的應(yīng)用中，常用的做法是添加RCD吸收回路(RCD Snubber)，即由電阻，電容和二極管組成的吸收電路。

在MOS管關(guān)斷瞬間，當(dāng)Vds電壓高于Vin+Vor時(shí)，二極管導(dǎo)通，漏感電流流入電容進(jìn)行充電; 當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí)，二極管反向偏置，電容能量通過(guò)電阻泄放。

圖4 考慮漏感和MOS管寄生電容的反激變換器

Flyback的三種工作模式

我們已經(jīng)了解，F(xiàn)lyback反激變換器工作的本質(zhì)，是利用開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，對(duì)變壓器(耦合電感)進(jìn)行充放電的過(guò)程。 根據(jù)充放電過(guò)程中電感電流的連續(xù)程度，反激變換器可分為三種工作模式，即連續(xù)模式(CCM)，斷續(xù)模式(DCM)以及臨界模式(CRM)。

連續(xù)模式(CCM)

CCM模式下，電流在變壓器中是連續(xù)的，變壓器磁芯中始終有儲(chǔ)能存在。 因此，在導(dǎo)通階段，原邊電流并不是從0開(kāi)始上升; 在關(guān)斷階段，副邊電流也不會(huì)下降至0。 原副邊電流波形為梯形波。

MOS管兩端電壓為方波，即原邊MOS管處在硬開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)，通過(guò)導(dǎo)通MOS管強(qiáng)制“切斷”副邊二極管續(xù)流。

圖5 CCM模式下的波形

在CCM模式下，同等負(fù)載，副邊電流的交流分量較小，因此輸出紋波較小。 由于開(kāi)關(guān)管處于硬開(kāi)關(guān)模式，開(kāi)關(guān)損耗較大。 與此同時(shí)，副邊二極管存在反向恢復(fù)損耗，在選型時(shí)需要選擇肖特基二極管或超快恢復(fù)二極管以減小損耗。

斷續(xù)模式(DCM)

DCM模式下，電流在變壓器中是斷續(xù)的。 在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，除了原邊儲(chǔ)能，副邊釋能兩個(gè)狀態(tài)外，還有一個(gè)變壓器內(nèi)部無(wú)能量的“空檔期”，即死區(qū)。 在死區(qū)中，由于開(kāi)關(guān)管仍處在關(guān)斷階段，原邊沒(méi)有進(jìn)行儲(chǔ)能; 同時(shí)副邊電感能量已完全續(xù)流結(jié)束，變壓器原副邊沒(méi)有任何電壓鉗位，于是產(chǎn)生震蕩，該震蕩是由原邊電感和MOS管寄生電容產(chǎn)生。

DCM模式中，原副邊電流均為三角波。 MOS管兩端的電壓會(huì)進(jìn)行震蕩，直至下一個(gè)周期MOS管導(dǎo)通。

圖6 DCM模式下的波形

由于二極管在續(xù)流過(guò)程中將續(xù)流至零，不存在反向恢復(fù)，因此效率略高于同等條件下的CCM模式。 但在同等負(fù)載下，二極管電流的交流分量較大，導(dǎo)致輸出紋波較大。

臨界模式(CRM)

臨界模式也稱為準(zhǔn)諧振(Quasi-resonant，QR)模式。 臨界模式處于連續(xù)模式和斷續(xù)模式的臨界點(diǎn)處，即在副邊二極管續(xù)流為零處，原邊二極管導(dǎo)通。 理論上，臨界模式不存在死區(qū)時(shí)間，且MOS管波形不會(huì)產(chǎn)生震蕩。

圖7 CRM模式(或QR模式)下的波形

然而為了降低開(kāi)關(guān)損耗，提高效率，臨界模式仍然存在較短的震蕩時(shí)間。 主控IC在這個(gè)震蕩中試圖尋找震蕩谷底，在谷底處開(kāi)通MOS管(谷底開(kāi)通)。 由于開(kāi)關(guān)管在更低電壓下開(kāi)通，其產(chǎn)生的開(kāi)通損耗會(huì)更小。

CCM和DCM的控制方式，通常是在固定頻率下，利用占空比(開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷的比例)調(diào)節(jié)負(fù)載。 很顯然，對(duì)于CRM的谷底開(kāi)通方式，無(wú)法進(jìn)行固定頻率調(diào)節(jié)占空比的控制，而是通過(guò)控制頻率調(diào)節(jié)負(fù)載。

開(kāi)關(guān)頻率隨著負(fù)載降低而升高，在輕載工況下，高開(kāi)關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗增加，輕載功耗較高。 因此，對(duì)于QR反激，實(shí)際并不總是在第一個(gè)谷底開(kāi)通。 QR控制器會(huì)根據(jù)負(fù)載的不同，調(diào)節(jié)選擇谷底開(kāi)通的個(gè)數(shù)(如第二個(gè)，第三個(gè)甚至更多)，以保證開(kāi)關(guān)頻率在一定范圍以內(nèi)。 不同控制器對(duì)于谷底開(kāi)通的個(gè)數(shù)不同，如Onsemi的NCP1342的最大谷底開(kāi)通個(gè)數(shù)為6個(gè)，Infineon的ICE5QSxG的最大谷底開(kāi)通個(gè)數(shù)為7個(gè)，Diode的AP3302的最大谷底開(kāi)通個(gè)數(shù)高達(dá)15個(gè)。

當(dāng)然，隨著諧振的衰減，更高次數(shù)的谷底與輸入電壓相差無(wú)幾，對(duì)于EMI的改善和效率的提升也相對(duì)較弱。

圖8 QR反激的谷底開(kāi)通方式

如下是NCP1342隨著負(fù)載變化時(shí)的谷底開(kāi)通模式。 考慮到在負(fù)載頻繁切換時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)不同谷底的切換，導(dǎo)致適配器產(chǎn)生人耳可聽(tīng)的噪聲，該控制器設(shè)置了“滯回”的功能，即所謂的谷底鎖定(Valley Lockout)，控制器在負(fù)載輕微變化時(shí)，總是會(huì)鎖定某一個(gè)谷底，而不會(huì)頻繁切換。 同時(shí)在負(fù)載上升或下降兩個(gè)方向，谷底鎖定的負(fù)載點(diǎn)有所差異(粉色和藍(lán)色部分)。

圖9 NCP1342谷底鎖定

Flyback的參數(shù)設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)電源參數(shù)設(shè)計(jì)中，包含了功率器件的選型，被動(dòng)元件的選型以及磁性元件的設(shè)計(jì)，其中磁性元件設(shè)計(jì)較為關(guān)鍵。 理由是在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，工程師往往首先根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格和成本，確定好器件的選型，然后基于產(chǎn)品規(guī)格和器件規(guī)格進(jìn)行磁性元件設(shè)計(jì)。 很顯然，我們不可能根據(jù)一個(gè)給定參數(shù)的磁性元件頻繁地更換器件。

反激變換器的磁性元件為反激變壓器或耦合電感。 磁性元件設(shè)計(jì)的本質(zhì)，是在滿足產(chǎn)品規(guī)格并留有一定余量的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出最優(yōu)尺寸和性能的磁性元件，如滿足磁芯不飽和，變壓器不過(guò)熱的要求等等。

下面以65W QR反激電源適配器為例介紹主要參數(shù)設(shè)計(jì)。

第一步：確定電源規(guī)格

確定電源的輸入輸出范圍，額定功率，目標(biāo)效率，開(kāi)關(guān)頻率等。

表1 電源規(guī)格

交流輸入電壓和輸入電容決定了反激電源工作的直流輸入電壓范圍。 輸入電容根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行選擇，對(duì)于全范圍輸入電壓的應(yīng)用場(chǎng)景，輸入電容取值為23uF/W，即130uF195uF。

反激變換器直流輸入最大值和最小值分別為：

其中，Pin_max為最大輸入功率，Dch為輸入電容充電占工頻周期的比例，通常為0.2~0.3。

圖10 輸入Bulk電容電壓波形

最小輸入電壓為反激變換器最惡劣(Worst case)的工作情況，決定了原邊電感，原邊電流等參數(shù)設(shè)計(jì)的工作點(diǎn); 最大輸入電壓影響到MOS管的電壓應(yīng)力，進(jìn)而影響變壓器匝數(shù)設(shè)計(jì)。

第二步：確定匝比，原邊電感，繞線匝數(shù)

確定匝比

變壓器匝比與原邊反射電壓Vor相關(guān)，反射電壓會(huì)影響MOS管的選型。 因此，在選定MOS管以后，可以通過(guò)MOS管漏源極耐壓Vds確定變壓器匝比n，二者的關(guān)系如下：

其中Vds為開(kāi)關(guān)管最大漏源極電壓，考慮到產(chǎn)品可靠性和壽命，通常采用90%降額。 Vin_max為最大直流輸入電壓，以265Vac電網(wǎng)計(jì)算，最大直流輸入電壓約為373V。 Vspike為漏感尖峰，經(jīng)驗(yàn)值為100V。 Vor為原邊反射電壓，與匝比相關(guān)。

需要注意的是，這里的Vor忽略了副邊整流管的導(dǎo)通壓降。

圖11 MOS管Vds波形

由以上關(guān)系是可得匝比n的關(guān)系是為：

計(jì)算原邊電感

開(kāi)關(guān)電源的電感量計(jì)算，本質(zhì)上是圍繞伏秒平衡展開(kāi)的。 目前有三種流行的QR反激電感量計(jì)算方法，出于簡(jiǎn)化的目的，有些計(jì)算方式為粗略計(jì)算，但結(jié)果差異不大。

QR模式下，開(kāi)關(guān)管在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期包含三部分，Ton，Toff和Tdead。 Ton為開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，Toff為開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)間，Tdead為諧振時(shí)間。

圖12 QR反激一個(gè)開(kāi)關(guān)周期

開(kāi)關(guān)頻率可以根據(jù)開(kāi)關(guān)周期推導(dǎo)：

其中，Lp為原邊電感量，Ip為原邊電流峰值，Vin_min為最小輸入直流電壓，Vor為反射電壓，Cds為MOS管體電容。

電感能量與輸入功率的關(guān)系為：

由以上兩個(gè)關(guān)系式可推導(dǎo)出原邊電感值為：

諧振時(shí)間Tdead在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)占比很小，有時(shí)為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將Tdead定義為周期的5%，即

當(dāng)然，也可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化，即諧振時(shí)間Tdead可以忽略不記。 若是如此，則QR模式可以簡(jiǎn)化為臨界模式CRM，此時(shí)原邊電感的計(jì)算方式為：

計(jì)算繞線匝數(shù)

變壓器原副邊匝數(shù)與磁芯窗口面積Ae，最大磁通Bmax有關(guān)。 其關(guān)系式如下：

對(duì)于鐵氧體磁芯，建議最大磁通不得超過(guò)0.3T，在匝數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，要注意考慮最惡劣情況下，變壓器磁芯不會(huì)飽和。 即在最低直流輸入電壓下，最大磁通仍然小于0.3T。 設(shè)計(jì)師可根據(jù)PWM主控IC的Brownout參數(shù)設(shè)定最小直流輸入電壓，以確保在低于該電壓時(shí)候，IC能夠停止工作，防止變壓器飽和。

需要注意的是，原邊電感，匝比，線圈匝數(shù)的計(jì)算結(jié)果，均包含了簡(jiǎn)化和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)計(jì)算的數(shù)值做出略微調(diào)整。 這些調(diào)整需要考慮原邊電流Ip，副邊電流Is，最大磁通，磁芯損耗，線圈損耗等因素。 其終目的是在充分利用磁芯空間的前提下，使得反激變換器的工作模式，效率都能夠達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

至此，一個(gè)反激變換器的關(guān)鍵參數(shù)便設(shè)計(jì)完成。 當(dāng)然，在本例中，副邊整流采用的是二極管整流方式。 為了進(jìn)一步提高效率，實(shí)際產(chǎn)品中往往采用低壓MOS管代替二極管，實(shí)現(xiàn)同步整流。 除了磁性元件的設(shè)計(jì)，完整的USB

PD適配器還需要根據(jù)產(chǎn)品需求選擇合適的PD協(xié)議IC，基于PD IC進(jìn)行反饋環(huán)路設(shè)計(jì)，設(shè)置合適的補(bǔ)償以滿足規(guī)定的調(diào)整率等等。 關(guān)于反饋環(huán)路設(shè)計(jì)，后續(xù)我會(huì)做詳細(xì)介紹。