分享高功率密度快充/PD适配器电源结构原理
1、前言
快充及电源适配器通常采用传统的反激变换器结构，随着快充及pd适配器的体积进一步减小、功率密度进一步提高以及对于高效率的要求，传统的硬开关反激变换器技术受到很多限制。采用软开关技术工作在更高的频率，可以降低开关损耗提高效率，减小变压器及电容的尺寸降低电源体积，同时改善emi性能，从而满足系统设计的要求，特别适合于采用超结结构的高压功率mosfet或高压gan器件的高功率密度快充及电源适配器。
传统的硬开关反激变换器功率开关管电压、电流应力大，变压器的漏感引起电压尖峰，必须采用无源rcd吸收电路进行箝位限制，rcd吸收电路的电阻r产生额外的功率损耗，降低系统效率，如图1所示。如果将rcd吸收电路的电阻r去掉，同时将二极管换成功率mosfet，这样就变成了有源箝位反激变换器，通过磁化曲线在第一、第三象限交替工作，将吸收电路的电容cc吸收的电压尖峰能量，回馈到输入电压，从而实现系统的正常工作。
图1：传统的硬开关反激变换器
图2：有源箝位反激变换器
2、有源箝位反激变换器工作原理
非连续模式dcm有源箝位反激变换器电路结构及相关波形如图2、图3所示，图中的各个元件定义如下。
lm：变压器初级激磁电感
lr：变压器初级漏感
lp：变压器初级总电感，lp=lm+lr
n：变压器初级和次级的匝比，n=np/ns
q1：主功率开关管，dq1、cq1为q1寄生体二极管和寄生输出电容
qc：箝位开关管，dqc、cqc为qc寄生体二极管和寄生输出电容
do：次级输出整流二极管
cc：箝位电容
cr：cq1、cqc以及其它杂散谐振电容cto总和，cr=cq1+cqc+cto
cc1：cc1=cc+cq1+cto
vsw：q1的d、s两端电压
vin：输入直流电压
vo：输出直流电压
vc：箝位电容电压
每个开关周期根据其工作状态可以分为8个工作模式，各个工作模式的状态及等效电路图分别讨论如下。
图3：有源箝位反激变换器波形(非连续模式dcm)
(1)模式1：t0-t1
在t0时刻，q1处于导通状态，qc、do保持关断状态。lp两端所加的电压为vin，lp激磁，其电流从0开始，随着时间线性上升。
图4：模式1(q1导通，qc、do关断)
(2)模式2：t1-t2
在t1时刻，q1关断，qc、do保持关断状态。q1关断后，lp和cr谐振，激磁电流对cq1充电，对cqc放电，vsw电压谐振上升。
图5：模式2(q1、qc、do关断)
(5)模式5：t4-t5
在t4时刻，lr的电流谐振下降到0，do、qc保持导通状态，q1保持关断状态。lr的电流下降到0后，lr和cc1反向谐振，就是cc对lr反向激磁，cc、cq1放电，vsw电压、vc电压谐振下降，lr的电流从0开始反向谐振上升，到达反向的最大值后继续谐振，其反向电流的绝对值下降，而lm继续向输出负载释放能量，电流保持线性下降。
(6)模式6：t5-t6
在t5时刻，lm的电流降低为0，lm电感储存能量全部释放完毕，do自然关断，qc保持导通状态，q1保持关断状态。do关断后，输出反射电压n•vo断开，此时，lm又重新串联进入到谐振回路，lp和cc1谐振，vc电压反向加在lp，cc放电对lp反向激磁，lm的电流过0后和lr一起继续反向增加。
在do关断瞬间，lr的电流有一个高频振荡换流的过程，在这个过程中，lr的电流快速下降到几乎为0、和lm电流相等的过程，其中一部分能量转送到输出负载，另一部分能量转移到lm。
(7)模式7：t6-t7
在t6时刻，关断qc，do、q1保持关断状态。qc关断后，lp和cr谐振，lp的电流对cqc充电，对cq1放电。
图11：模式7(qqc、q1、do关断)
在t6-t7中间某一时刻tn，对应的vsw电压为vin：①t6-tn期间，lp所加电压为负，其电流谐振下降，其反向电流的绝对值进一步增加。②tn-t7期间，从tn时刻开始，lp所加电压为正，其电流谐振上升，其反向电流的绝对值降低。
(8)模式8：t7-t0
在t7时刻，cq1放电到0，vsw电压为0，d1自然导通续流，将vsw电压箝位到0，do、qc保持关断状态。d1导通后，lp两端所加的电压为vin，lp的电流从负值线性上升，其电流绝对值进一步降低，直到降低为0，完成一个开关周期。然后，lp的电流继续正向激磁，从0开始正向线性上升，开始下一个开关周期。
图12：模式8(d1导通，q1、do关断)
在t7-t0期间任一时刻，开通q1，由于d1处于导通状态，其两端电压为0，因此q1的开通就是零电压开通zvs。
什么是碳酸锂?
对于手机信号放大器，真的是我们的日常必需品吗
关于天然气SCADA系统的编制过程详解
NP2012(20 v n沟道增强型MOSFET)
立功科技冲刺创业板，致力于推广普及新技术
分享高功率密度快充/PD适配器电源结构原理
CPLD设计的驱动数码显示电路案例
汇顶科技屏下光线传感器首获商用 新松与滨化集团签署合作协议
三星全力量产最强64层3D闪存：SSD可以安心降价了
智能压力变送器能测流量吗，是如何进行测量的
新发现半导体薄膜材料可产生光伏效应
2022年投影仪推荐，看电影、刷剧的神器
超高清LED数字标牌“联姻”共赢
比亚迪公布了两款比亚迪汉DM设计和EV设计的电动汽车
区块链技术正在超越概念验证时代 并开始进入商业化阶段
科沃斯新品地宝DEEBOT N9+，为您免去手洗拖布烦恼
中国联通5G助力深圳打造世界一流的智慧交通
集成运放的非线性失真分析及电路应用
5G时代下VR行业迎来了巨大风口
“小米使用鸿蒙系统”乌龙对后续会有影响吗
快充及电源适配器通常采用传统的反激变换器结构，随着快充及pd适配器的体积进一步减小、功率密度进一步提高以及对于高效率的要求，传统的硬开关反激变换器技术受到很多限制。采用软开关技术工作在更高的频率，可以降低开关损耗提高效率，减小变压器及电容的尺寸降低电源体积，同时改善emi性能，从而满足系统设计的要求，特别适合于采用超结结构的高压功率mosfet或高压gan器件的高功率密度快充及电源适配器。
传统的硬开关反激变换器功率开关管电压、电流应力大，变压器的漏感引起电压尖峰，必须采用无源rcd吸收电路进行箝位限制，rcd吸收电路的电阻r产生额外的功率损耗，降低系统效率，如图1所示。如果将rcd吸收电路的电阻r去掉，同时将二极管换成功率mosfet，这样就变成了有源箝位反激变换器，通过磁化曲线在第一、第三象限交替工作，将吸收电路的电容cc吸收的电压尖峰能量，回馈到输入电压，从而实现系统的正常工作。
图1：传统的硬开关反激变换器
图2：有源箝位反激变换器
2、有源箝位反激变换器工作原理
非连续模式dcm有源箝位反激变换器电路结构及相关波形如图2、图3所示，图中的各个元件定义如下。
lm：变压器初级激磁电感
lr：变压器初级漏感
lp：变压器初级总电感，lp=lm+lr
n：变压器初级和次级的匝比，n=np/ns
q1：主功率开关管，dq1、cq1为q1寄生体二极管和寄生输出电容
qc：箝位开关管，dqc、cqc为qc寄生体二极管和寄生输出电容
do：次级输出整流二极管
cc：箝位电容
cr：cq1、cqc以及其它杂散谐振电容cto总和，cr=cq1+cqc+cto
cc1：cc1=cc+cq1+cto
vsw：q1的d、s两端电压
vin：输入直流电压
vo：输出直流电压
vc：箝位电容电压
每个开关周期根据其工作状态可以分为8个工作模式，各个工作模式的状态及等效电路图分别讨论如下。
图3：有源箝位反激变换器波形(非连续模式dcm)
(1)模式1：t0-t1
在t0时刻，q1处于导通状态，qc、do保持关断状态。lp两端所加的电压为vin，lp激磁，其电流从0开始，随着时间线性上升。
图4：模式1(q1导通，qc、do关断)
(2)模式2：t1-t2
在t1时刻，q1关断，qc、do保持关断状态。q1关断后，lp和cr谐振，激磁电流对cq1充电，对cqc放电，vsw电压谐振上升。
图5：模式2(q1、qc、do关断)
(5)模式5：t4-t5
在t4时刻，lr的电流谐振下降到0，do、qc保持导通状态，q1保持关断状态。lr的电流下降到0后，lr和cc1反向谐振，就是cc对lr反向激磁，cc、cq1放电，vsw电压、vc电压谐振下降，lr的电流从0开始反向谐振上升，到达反向的最大值后继续谐振，其反向电流的绝对值下降，而lm继续向输出负载释放能量，电流保持线性下降。
(6)模式6：t5-t6
在t5时刻，lm的电流降低为0，lm电感储存能量全部释放完毕，do自然关断，qc保持导通状态，q1保持关断状态。do关断后，输出反射电压n•vo断开，此时，lm又重新串联进入到谐振回路，lp和cc1谐振，vc电压反向加在lp，cc放电对lp反向激磁，lm的电流过0后和lr一起继续反向增加。
在do关断瞬间，lr的电流有一个高频振荡换流的过程，在这个过程中，lr的电流快速下降到几乎为0、和lm电流相等的过程，其中一部分能量转送到输出负载，另一部分能量转移到lm。
(7)模式7：t6-t7
在t6时刻，关断qc，do、q1保持关断状态。qc关断后，lp和cr谐振，lp的电流对cqc充电，对cq1放电。
图11：模式7(qqc、q1、do关断)
在t6-t7中间某一时刻tn，对应的vsw电压为vin：①t6-tn期间，lp所加电压为负，其电流谐振下降，其反向电流的绝对值进一步增加。②tn-t7期间，从tn时刻开始，lp所加电压为正，其电流谐振上升，其反向电流的绝对值降低。
(8)模式8：t7-t0
在t7时刻，cq1放电到0，vsw电压为0，d1自然导通续流，将vsw电压箝位到0，do、qc保持关断状态。d1导通后，lp两端所加的电压为vin，lp的电流从负值线性上升，其电流绝对值进一步降低，直到降低为0，完成一个开关周期。然后，lp的电流继续正向激磁，从0开始正向线性上升，开始下一个开关周期。
图12：模式8(d1导通，q1、do关断)
在t7-t0期间任一时刻，开通q1，由于d1处于导通状态，其两端电压为0，因此q1的开通就是零电压开通zvs。
什么是碳酸锂?
对于手机信号放大器，真的是我们的日常必需品吗
关于天然气SCADA系统的编制过程详解
NP2012(20 v n沟道增强型MOSFET)
立功科技冲刺创业板，致力于推广普及新技术
分享高功率密度快充/PD适配器电源结构原理
CPLD设计的驱动数码显示电路案例
汇顶科技屏下光线传感器首获商用 新松与滨化集团签署合作协议
三星全力量产最强64层3D闪存：SSD可以安心降价了
智能压力变送器能测流量吗，是如何进行测量的
新发现半导体薄膜材料可产生光伏效应
2022年投影仪推荐，看电影、刷剧的神器
超高清LED数字标牌“联姻”共赢
比亚迪公布了两款比亚迪汉DM设计和EV设计的电动汽车
区块链技术正在超越概念验证时代 并开始进入商业化阶段
科沃斯新品地宝DEEBOT N9+，为您免去手洗拖布烦恼
中国联通5G助力深圳打造世界一流的智慧交通
集成运放的非线性失真分析及电路应用
5G时代下VR行业迎来了巨大风口
“小米使用鸿蒙系统”乌龙对后续会有影响吗