談談 QR 能使反激電源的效率提升多少

現(xiàn)在QR越來越多的用在反激電源中，儼然已經(jīng)成了大趨勢。QR的好處大家都知道，能提升效率同時減小EMI。這是書上說的。實際用過的人感覺并不一樣。有人說效率根本沒什么提升，甚至還不如CCM。也有人講能提高效率 5%。QR到底能提高多少效率呢？不知道有沒有人做實驗比較過，好像在壇子里還沒有發(fā)現(xiàn)。類似的問題之前有人提出，但是沒有什么反應。相信現(xiàn)在很多人都接觸過了QR的設計方案，如今再把這個問題提出來，不知道大家有沒有興趣討論一下 ~

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mko145

LV.8

2012-06-25 17:27

先找個圖看看 ~ 有人講 QR（準諧振技術），可以實現(xiàn)開關管的零電壓開通，從而提高了效率、減少了EMI噪聲。實際上MOS管在開通時 Vds似乎并不是0。只不過電壓處于相對的低位，也就是所謂的低谷。當然，相對來說效率還是有所提高，EMI也會相應的有所減少

另外，這個谷底越低，就越接近于零電壓。于是就有了要盡量提高反射電壓Vor的說法 ~

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mko145

LV.8

2012-06-25 17:41

換一張圖看的清楚些 ~

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mko145

LV.8

2012-06-26 09:56

由上圖看出，這個QR諧振是以Vin為中軸，以Vor為初始振幅，不斷衰減的振蕩。這個振蕩的能量來自MOS管兩端的電容Cp，或者叫C_tot。這個C_tot包括MOS管的輸出電容Coss、變壓器的寄生電容、線路的分布電容以及次級反射到初級的電容，一句話 - 就是Vds兩端看到的所有電容的總和。開始看到 C_tot的時候有些不解，tot什么意思呢？后來想明白了，應該是 total 的縮寫 ~

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wei520

LV.6

2012-06-26 10:22

關注

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mko145

LV.8

2012-06-26 10:44

參與振蕩的電感是初級電感 Lp。如果不受干擾的話，這個諧振會一路衰減下去直到消失。

C_tot上面的能量由原來的

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mko145

LV.8

2012-06-26 11:39

CCM模式下，由于初級電感上的能量沒有全部傳遞到次級。MOS管開通的時候，次級的二極管上面還有電流。Vor一直存在，所以MOS管的Vds上沒能出現(xiàn)振蕩。MOS管開通過程中，C_tot上的電壓由Vin+Vor變成 0。電容上的能量全部消耗在 MOS管上發(fā)熱了，這也就是MOS管的開通損耗 turn-on loss（這里不討論MOS管的 crossover loss）。其大小為

QR模式下電源實際上工作在DCM模式，MOS管選擇在 Vds電壓的低谷時開通。這樣 C_tot上的能量損耗（也就是MOS管的turn-on loss）要小一些 ~ 所以，QR的實質(zhì)是減小MOS管的開通損耗。

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mko145

LV.8

2012-06-26 12:08

那么MOS管上的這個開通損耗有多大呢？我們來看一下PI 的AN，由功率損耗的估算表中可以看出，一個輸出34W、效率 87%的普通反激電源，其MOS管的開通損耗是0.43W，也就是總功率的 1%多一點。QR模式下，即使這個開通損耗減小到 0，效率的提升，充其量也就如此。

到這里我們似乎得出了結論 -- QR作用于反激電源，其效率的提高不太可能有 5%那么多，（PI的例子中）最多也不會超過1.5%。實際上由于谷底的電壓并非0，這個效率的提升還要再打折扣 ~

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mko145

LV.8

2012-06-26 13:18

沒有人來評論 ~ 不知道大家是同意我的分析，還是對這個話題不感興趣。

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mjun

LV.7

2012-06-26 13:51

@mko145

沒有人來評論~不知道大家是同意我的分析，還是對這個話題不感興趣。

兄弟分析的有道理，QR實質(zhì)上就是減少MOS管的開通損耗，但是MOS管的開關損耗中關斷損耗才是主要的！

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zvszcs

LV.12

2012-06-26 14:55

@mjun

兄弟分析的有道理，QR實質(zhì)上就是減少MOS管的開通損耗，但是MOS管的開關損耗中關斷損耗才是主要的！[圖片]

次級整流管的功耗也降低了

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mko145

LV.8

2012-06-26 15:50

@zvszcs

次級整流管的功耗也降低了

QR的工作模式就像一個頻率變化的DCM, 所以實際上應該和 DCM模式相比較才合理 ~

記得 Z版之前在一個帖子里介紹了ON Semi 的最新準諧振 IC NCP1380，還附有振蕩的波形。從波形中可以看出 -- 相比于之前的版本NCP1337， 1380增加了個 Frequency foldback 或者叫 VCO mode。在輕載的時候降低頻率，以減少MOS管的開通損耗。該模式 ON Bright 的QR IC OB2361在幾年前就有了

~【原創(chuàng)】ON新一代芯片的使用心得 [原]

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yhtfeel

LV.7

2012-06-26 16:14

@mko145

沒有人來評論~不知道大家是同意我的分析，還是對這個話題不感興趣。

分析的很好！頂起！

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mko145

LV.8

2012-06-26 16:27

@yhtfeel

分析的很好！頂起！

謝謝樓上的肯定 ~

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mko145

LV.8

2012-06-26 16:31

上面從PI的反激電源案例的MOS管損耗數(shù)據(jù)中，我們可以大致上了解 QR模式對于反激電源的效率提升有多大的影響，但并非準確的計算。下面用一個實際的電源案例來具體的算一下 ~

手上的這個QR反激電源用的IC是OB2361。嚴格地來說這顆IC只能說是帶有QR功能的PWM控制IC.因為IC并不是始終工作在QR模式，只有在高壓或是低壓輕載時才進入QR，低壓滿載時則工作在CCM模式。當負載很輕時，頻率會降低到二、三十KHz，以減小開關損耗，也就是所謂的FB（Frequency foldback）。OB2361的這些特點很好的適應了沒有PFC的小功率反激電源。最大限度的發(fā)揮了QR的優(yōu)點，同時彌補了低壓時QR效率低的不足。

有關的問題，壇子里的朋友之前曾經(jīng)有指出過 ~ 請參看 能源之星5-----襯論QR之道

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10227

LV.7

2012-06-26 16:56

@mko145

那么MOS管上的這個開通損耗有多大呢？我們來看一下PI的AN，由功率損耗的估算表中可以看出，一個輸出34W、效率87%的普通反激電源，其MOS管的開通損耗是0.43W，也就是總功率的1%多一點。QR模式下，即使這個開通損耗減小到0，效率的提升，充其量也就如此。到這里我們似乎得出了結論--QR作用于反激電源，其效率的提高不太可能有5%那么多，（PI的例子中）最多也不會超過1.5%。實際上由于谷底的電壓并非0，這個效率的提升還要再打折扣~[圖片]

之前也有效率是否能提升如此多的問號,現(xiàn)在總算能進一步了解.

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mko145

LV.8

2012-06-26 17:12

先帖上些波形圖 ~ 如果用看圖軟件（例如ACDsee）一張張翻看，會很有趣 ~

Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=0.1A

Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=0.2A

Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=0.3A

Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=0.4A

Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=0.5A

Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=0.6A

Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=0.7A

Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=0.8A

Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=0.9A

Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=1.0A

Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=1.1A

Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=1.2A

Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=1.3A

Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=1.4A

Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=1.5A

Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=1.6A

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song_du

LV.4

2012-06-26 18:35

@mko145

沒有人來評論~不知道大家是同意我的分析，還是對這個話題不感興趣。

透徹我這個菜鳥都看懂了點~~~

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zvszcs

LV.12

2012-06-26 18:37

@mko145

先帖上些波形圖~ 如果用看圖軟件（例如ACDsee）一張張翻看，會很有趣~ Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=0.1A [圖片] Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=0.2A [圖片] Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=0.3A [圖片] Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=0.4A[圖片] Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=0.5A [圖片] Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=0.6A [圖片] Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=0.7A [圖片] Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=0.8A [圖片] Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=0.9A[圖片] Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=1.0A [圖片] Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=1.1A[圖片] Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=1.2A [圖片] Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=1.3A[圖片] Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=1.4A [圖片] Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=1.5A [圖片] Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=1.6A [圖片]

圖形比我的漂亮多了，示波器真清晰

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mko145

LV.8

2012-06-26 20:06

@zvszcs

圖形比我的漂亮多了，示波器真清晰

Z 版過獎，是老板的示波器好 ~

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mko145

LV.8

2012-06-26 21:04

言歸正傳，分析一個實際的 QR反激案例。看看相比于固定頻率的普通電源，QR的效率能提高多少 ~

輸入電壓：90 - 264Vac；輸出低壓： 19V ；輸出功率： 24W

輸入端的電解電容 Cin用47uF/400V。根據(jù)下面公式，可以算出最低 DC電壓 Vin(min) = 88V

Dmax取0.46；則反射電壓

大家都知道，要想發(fā)揮QR的優(yōu)勢，Vor的取值越大越好。然而，沒有PFC 情況下的全電壓輸入電源，由于低壓比較低，Vor不可能太高。所以也用不著800V的MOS管。當然，如果舍得給錢的話，加大輸入電容，則可以提高Vin。Vor也能相應提高。假設用68uF/400V的電容，Vin (min) = 102V ; Dmax 取0.48 的話，Vor = 94V 會高一些

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mko145

LV.8

2012-06-26 22:19

CCM模式，MOS管開通時候Vds=Vin+Vor； DCM模式，MOS管有可能在A、B或C等任何時刻開通。讓我們假設是B點開通（損耗最大）。B點的電壓雖然比Vin+Vor已經(jīng)有所下降，如果把C_tot上的能量在之前衰減過程中的損耗也一起算進來的話，那么一個周期內(nèi)C_tot上的能量損耗也還是

QR模式下，假設MOS管在第一個谷底處開通。考慮到諧振的振幅已有所減小，設其幅度約為 Vor-5V。則MOS管開通時 C_tot上的能量損耗為

C_tot上的能量損耗也就是MOS管的開通損耗。顯然，QR模式的MOS管開通損耗要小 ~

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javike

2012-06-26 22:23

頂起！搬個板凳來聽課。。。。

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lvyuanpu

LV.5

2012-06-26 22:34

@mko145

言歸正傳，分析一個實際的QR反激案例。看看相比于固定頻率的普通電源，QR的效率能提高多少~輸入電壓：90-264Vac；輸出低壓：19V；輸出功率：24W輸入端的電解電容Cin用47uF/400V。根據(jù)下面公式，可以算出最低DC電壓Vin(min)=88V[圖片]Dmax取0.46；則反射電壓[圖片] 大家都知道，要想發(fā)揮QR的優(yōu)勢，Vor的取值越大越好。然而，沒有PFC情況下的全電壓輸入電源，由于低壓比較低，Vor不可能太高。所以也用不著800V的MOS管。當然，如果舍得給錢的話，加大輸入電容，則可以提高Vin。Vor也能相應提高。假設用68uF/400V的電容，Vin(min)=102V; Dmax取0.48的話，Vor=94V 會高一些

請教樓主，為什么Vor越大越好，額。

還有第一張和第二章圖片是否是輕載跳頻？

第三章和第四章也有點輕載跳頻的感覺。。

請賜教。

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mko145

LV.8

2012-06-26 22:55

@lvyuanpu

請教樓主，為什么Vor越大越好，額。還有第一張和第二章圖片是否是輕載跳頻？第三章和第四章也有點輕載跳頻的感覺。。請賜教。

由于諧振是以Vin為中軸，以Vor為初始振幅，不斷衰減的振蕩。

Vor越大，則谷底（valley) 的電壓Vds就越低。MOS管開通時刻，C_tot上的能量就越小，損耗也就越小 ~ C_tot上的能量大約為

輕載時的頻率會降低，這是OB2361 IC的特性，以此來減小輕載時的開關損耗 ~ 不算是跳頻吧

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lvyuanpu

LV.5

2012-06-27 09:04

@mko145

由于諧振是以Vin為中軸，以Vor為初始振幅，不斷衰減的振蕩。[圖片] Vor越大，則谷底（valley)的電壓Vds就越低。MOS管開通時刻，Ctot上的能量就越小，損耗也就越小~Ctot上的能量大約為[圖片] 輕載時的頻率會降低，這是OB2361IC的特性，以此來減小輕載時的開關損耗~不算是跳頻吧

樓主，謝謝回復。

可能我措詞有問題，呵呵。我說的跳頻就是您說的那個意思，不好意思。

關于Vor還是想請教一下。Vor高的話似乎是能讓開通損耗降低，但是相同使VDS上升，造成了關斷損耗的增加。額。

而且VOR設計比較大的話，必然要求匝比的上升，變壓器的銅損似乎也會有些提高；VOR的提高似乎也迫使占空比的增加，這也會導致?lián)p耗以及環(huán)路的潛在問題。

我認為不能一味的追求高Vor，要綜合考慮。

不知道樓主在設計時候是否出現(xiàn)這些問題，以上只是小弟的猜測，有錯誤的地方請不吝指教。謝謝。

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jinfengszh

LV.5

2012-06-27 09:06

@javike

頂起！搬個板凳來聽課。。。。[圖片]

精彩

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tony_dai

LV.8

2012-06-27 09:58

@javike

頂起！搬個板凳來聽課。。。。[圖片]

聽課喔...

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mko145

LV.8

2012-06-27 10:06

@lvyuanpu

樓主，謝謝回復。可能我措詞有問題，呵呵。我說的跳頻就是您說的那個意思，不好意思。關于Vor還是想請教一下。Vor高的話似乎是能讓開通損耗降低，但是相同使VDS上升，造成了關斷損耗的增加。額。而且VOR設計比較大的話，必然要求匝比的上升，變壓器的銅損似乎也會有些提高；VOR的提高似乎也迫使占空比的增加，這也會導致?lián)p耗以及環(huán)路的潛在問題。我認為不能一味的追求高Vor，要綜合考慮。不知道樓主在設計時候是否出現(xiàn)這些問題，以上只是小弟的猜測，有錯誤的地方請不吝指教。謝謝。

指教談不上，大家一起討論 ~ 首先覺的你的問題提的非常好，我之前沒有想過這個問題。

1. 關于MOS管的關斷損耗（crossover loss），之前有網(wǎng)友 cheng111 總結過。請參看 MOS管的開關損耗-反激式分析

對于上面的公式，我有不同的看法。個人以為公式中的電壓應該是電源電壓Vin，而不是Vds。

理由是 -- 反射電壓Vor的出現(xiàn)，是在初級電流Ip停止、次級的整流管導通后，變壓器上的能量在次級繞組中釋放時候才產(chǎn)生的。換句話說 --- 初次級繞組上的電流不能同時存在 ~

2.提高Vor，勢必要提高匝數(shù)比。但是，是以減小次級繞組來實現(xiàn)的。初級繞組的計算另有公式，相信你是很熟的 ~

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mko145

LV.8

2012-06-27 11:08

@tony_dai

聽課喔...[圖片]

樓上各位說笑了 ~ 不是什么講課。只因前幾天Z版發(fā)了個帖子 --- 討論反激電源的效率極限，講到QR、SR和雙管反激等提高效率的方法。于是思考了一下這幾種方法到底能提高多少效率，哪一種方法更合算。將自己的分析提出來和大家討論一下，歡迎拍磚 ~

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mko145

LV.8

2012-06-27 11:12

接下來要搞清楚C_tot到底是多少，前面帖子里講了- 這個C_tot包括MOS管的輸出電容Coss、變壓器的寄生電容、線路的分布電容以及次級反射到初級的電容，也就是Vds兩端看到的所有電容的總和。其中輸出電容Coss可以在datasheet中查到，但是通常只給出了 25V時候的數(shù)值。與實際 MOS管開關時的300~400V，還是有不少出入。

網(wǎng)上看到樊永隆先生的“確定準諧振反激式變換器主要設計參數(shù)的實用方法”一文中提到 “ 用25V的數(shù)值來計算，不會有什么影響 ” 的說法，個人以為不太靠譜。

下面是（本案例中使用的）MOS管 4N60的datasheet 中的Coss參數(shù)，及隨電壓的變化曲線 ~