PSR-Flyback-原边反馈基本原理-[兼容模式].pdf

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PrimarysideregulatedflybackAC-DC2013/9/201PSRPSR技术技术11、PSRPSR技术简介技术简介1.11.1传统的次级端反馈的缺点传统的次级端反馈的缺点传统的次级端反馈的缺点传统的次级端反馈的缺点1.2PSR1.2PSR技术的优点技术的优点1.3PSR1.3PSR的应用的应用.3S.3S的应用的应用22PSRPSR技术的原理技术的原理22、PSRPSR技术的原理技术的原理2.12.1flybackflyback变换器的原理变换器的原理2222如何在原边检测输出电压如何在原边检测输出电压VV和输出电流和输出电流II2.22.2如何在原边检测输出电压如何在原边检测输出电压VoVo和输出电流和输出电流IoIo2.3PSR2.3PSR实现恒压和恒流的原理实现恒压和恒流的原理恒压功能和恒流功能之间如何实现切换恒压功能和恒流功能之间如何实现切换2.4PSR2.4PSR恒压功能和恒流功能之间如何实现切换恒压功能和恒流功能之间如何实现切换2013/9/20233、PSRPSR的关键技术问题的关键技术问题1、PSR技术简介1.1传统的次级端反馈的缺点传统的次级端反馈的缺点恒流控制恒压控制采用传统次级端调节反激式转换器2013/9/203采用传统次级端调节反激式转换器此方案可提供精确的电压、电流控制，但缺点是：

（1）组件数目较多，电路板空间，成本，可靠性

（2）采样电阻Ro增加功耗，效率（3）光耦合器不能工作于高温环境下（Currenttransferratiodegradationduetotemperaturerises）光耦合存在个低频极点2013/9/204（4）光耦合器存在一个低频极点（20-30kHz）thislowfrequencypolecomplicatesthefeedbackloopdesignandlimitsthecrossoverfrequency1.2PSR技术的优点1.2PSR技术的优点PSR（Primary-Side-Regulation）：

原边调制在变压器原边检测输出信息消除了次级的采样电路无须使用TL431和光耦合器2013/9/205无须使用TL431和光耦合器减少组件数目，降低了整体电路的复杂性更为高效和优化PSR的典型输出特性曲线OVOIPSR反激式变换器的典型输出V-I特性2013/9/2061.3PSR的应用1.3PSR的应用?

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笔记本、手机、数码相机等数码产品的锂电子电池的充电器?

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LED驱动2013/9/2072、PSR技术的原理技术的原理2.1flyback变换器的基本原理2.1flyback变换器的基本原理RTDINV0VPNSNPLPiSLSiLR0CMontofftffFlyback变换器的原理图2013/9/208LPV原边绕组感应电压0INVPNV1功率管漏源电压0POSVNPINOSNVVN+INVTDINV0VPNSN原边绕组电流002pi2pi2piINPVL斜率为PLPiSLSiLR0C副边绕组电流02Si2SiOSVL斜率为Montofft0offtontDCM模式下的电压、电流波形Flyback变换器的原理图开关管M导通时：

V开关管M导通时：

原边电流线性增加，斜率为能量储存在原边INPVL2222/（）222ININonPPKPINonPPVVtLiLPETtTTLTL=2开关管M截止时：

副边电流线性减小，斜率为能量从原边传递到副边V2OOLVPR=INOPP=2LOINonPRVVtTL=2013/9/209能量从原边传递到副边OSVL2.2如何在原边获取Vo、Io的信息2.2如何在原边获取Vo、Io的信息VVOVINVLRPNSNSDII=FVPIOINDVVPIpkIpkIMANAVSI,DpkI,DpkISRDVINVPOSNVNPNII,ODavgII=DPtNII=AVINSNAOSNVN,PDpkpkSIIN=,2DpkDDavgItIt=2OpkSSIItN=Dt2013/9/20102gStIo的信息反映在原边峰值电流的信息反映在原边峰值电流IpkSt2.2如何在原边获取Vo、Io的信息2.2如何在原边获取Vo、Io的信息VVOVINVLRPNSNSDII=FVPIOINDVVPIpkIpkIMANAVSI,DpkI,DpkISRDVVPONVNN原边绕组电压（）AAOFSNVVVN=+AAONVV=AVINVOSNAOSNVN（）PDINOFSNVVVVN=+PDINOSNVVVN=原边绕组电压副边电流为副边电流为0时时0FV=AOSNDt辅助绕组电压2013/9/2011Vo的信息反映在原边绕组电压的信息反映在原边绕组电压VD-VIN以及辅助绕组电压以及辅助绕组电压VA上上St2.2如何在原边获取Vo、Io的信息2.2如何在原边获取Vo、Io的信息VVOVINVLRPNSNSDII=FVPIOINDVVPIpkIpkIMANAVSI,DpkI,DpkI原边绕组电压SRDVVPONVNPDINOSNVVVN=原边绕组电压如果在原边绕组检测Vo的信息，则需要高压检测电路，NAVINVOSNAOSNVN息，则需要高压检测电路，并且会受原边漏感耦合噪声的影响AAOSNVVN=Dt所以一般是通过辅助绕组检测Vo的信息2013/9/2012St2.2如何在原边获取Vo、Io的信息2.2如何在原边获取Vo、Io的信息VINVII=FVPIOIOVINLRPNSNSDII=POMANDVAVPISI,DpkIpkI,DpkIpkIMADVVPONVSRAVINVOSVNAOSNVNVo的信息反映在的信息反映在原边辅助绕组电压原边辅助绕组电压VAAAOSNVVN=能在原边检测能在原边检测DtSt原边辅助绕组电压原边辅助绕组电压VA2DPOpktNIItN=Io的信息反映在的信息反映在原边峰值电流原边峰值电流Ipk能在原边检测能在原边检测Vo、Io的信息的信息2013/9/20132SStN原边峰值电流原边峰值电流Ipk2.3PSR实现恒压、恒流的原理2.3PSR实现恒压、恒流的原理2.3.1恒压（恒压（CV）原理）原理22INonLLOINonPsPPsPVtRRVVtLtLLtL=PSR的输出电压的输出电压2LPpksRLIt=PFM方式方式：

保持pkI不变，检测LR调整StPFM方式方式：

pk开关频率不固定两种恒开关频率不固定两种恒压方式压方式PWM方式：

方式：

保持不变StINonVt调整关频率固定关频率固定压方式压方式根据LR2013/9/2014开开关频率固定关频率固定2.3.1.1PWM恒压（恒压（CV）原理）原理保持不变St开关频率固定开关频率固定2LOINonsPRVVttL=PSR的输出电压的输出电压保持不变S开关频率固定开关频率固定INVSt确定确定调整调整LRVo恒定恒定ontPLLRont调整调整Vo恒定恒定ontINVt确定确定LR调整调整StPL确定确定ont调整调整Vo恒定恒定INV2013/9/2015PWM方式恒压原理图OVINVSLPLOVSLPLMSRVQRrefVEVEVQS2013/9/2016CV：

其他条件不变，RL变化时的调整过程EVontonLtR1OV1OP2OV2OP121212OOOORRVVPP=2INV1INVLRLR1212ININononVVtt12OOPP=EVEV2013/9/20181ont2ontPWM恒压（恒压（CV）模式下，在最小并且满载时模式下，在最小并且满载时INVont导通时间达到最大值消磁时间达到最大值导通时间达到最大值消磁时间达到最大值DtLRVVtPSRPSR的输出电压的输出电压IN2LOINonsPVVttL=PSRPSR的输出电压的输出电压满载时满载时最小最小R满载时满载时最小最小LRStOVPL不变不变，导通时间达到最大值导通时间达到最大值ontV最小最小满载时最小满载时最小LR达到最大值达到最大值VINV最小最小LStOVPL不变不变，达到最大值达到最大值INonVtINonkVtI=达到最大值达到最大值pkIpkPILOPpkDVNItNL=Dt达到最大值达到最大值2013/9/2019SSNLPWM恒压（恒压（CV）模式下，在最小并且满载时模式下，在最小并且满载时INV导通时间导通时间ton达到最大值消磁时间达到最大值达到最大值消磁时间达到最大值Dt,onMAXtINPWMI,maxpkIPISIPWMCVVFullLoad,maxDt2013/9/2020PWMCVINMINV_FullLoad2.3.1.2PFM恒压（CV）原理2.3.1.2PFM恒压（CV）原理保持不变pkI开关频率不固定开关频率不固定OVINVPSR的输出电压的输出电压保持不变pk开关频率不固定开关频率不固定2LPOpksRLVIt=OVVDDsMVDD给芯片供电通过辅助绕组检测输出电压LRSR检测输出电压Vo的信息原边的峰值电流固定为limitpkSVIR=VQRlimitVOV负反馈负反馈QSOSC根据检测到的输出电压Vo整关管stOV2013/9/2021调整开关管的开关频率fsPFM恒压（CV）调整过程PFM恒压（CV）调整过程LRStLSLRV2OVPSt1OV1OP2OP121212OOOORRVVPP=1st2st2013/9/20222.3.2恒流（CC）原理2.3.2恒流（CC）原理PSR的输出电流的输出电流2DPOpktNIItN=2pSStNDtIPN固定时固定时维持维持不变不变实现恒流实现恒流2DpkSItPSN固定时固定时维持维持不变不变实现恒流实现恒流PFM方式方式：

保持pkI不变，检测Dt调整St两种恒两种恒流方式流方式PFM方式方式：

pk开关频率不固定开关频率不固定流方式流方式PWM方式：

方式：

保持不变StDpktI调整使其不变关频率固定关频率固定2013/9/2023开开关频率固定关频率固定PFM方式恒流原理图PFM方式恒流原理图OVINV保持pkI不变，检测Dt调整StLLMVDD给芯片供电开关频率不固定开关频率不固定PLSLMSR电通过辅助绕组检测输出电压Vo的信息原边的峰值VliVSR原边的峰值电流固定为limitpkSVIR=OPpkDSSVNItNL=QQRSOSClimitVIpk固定，检测出Vo相当于检测出OSC根据检测到的输出电压Vo调整开关管的开关频率fs2013/9/2024PFM方式恒流调整过程方式恒流调整过程SfStDtDStt1OVP2OV2OP1OP2O1212OORRVV12OOPP2013/9/2025PWM方式恒流原理图PWM方式恒流原理图OVINV保持不变StDpktI调整使其不变开关频率固定开关频率固定O开关频率固定开关频率固定实现方式有多种PLSLMSRpkI实现方式1pktpkIDpktI实现DtrefV2013/9/2026StSt实现方式1的恒流调整过程实现方式1的恒流调整过程pkIDt1OV1OP2OV2OPpkDIt121212OOOORRVVPP2013/9/2027PWM恒流实现方式恒流实现方式2原理图原理图保持不变StDpktI调整使其不变OVINV22SDPOpkpkDOSSSPNtNIIItIttNN=VDD给芯片供SSPpkpkSVIR=2SSSOPpkNRtINVt=PLSLM给芯片供电检消磁时间开关频率固定开关频率固定2SNRtIDtR检测消磁时间DtN2（）

（1）SSOPpkDRtINVntn=SR2SSSOPpkDNRtINVt=PWM根据第根据第n-1个个周周期期kVPWM根据第根据第个期个期的消磁时间确定第的消磁时间确定第n个周期的原边个周期的原边峰值电流峰值电流DtV2013/9/2028实现方式2（见专利US2008/0112193）比较器pkV峰值电流峰值电流pkSVR实现方式实现方式2的恒流调整过程的恒流调整过程CCCC未进行调整调整过程稳态1输出恒流Io负载电阻为R1负载电阻突变为R2（假如R2pkDIt121212OOOORRVVPP2013/9/2029PWM恒流实现方式恒流实现方式3原理图原理图保持不变StDpktI调整使其不变开关频率固定开关频率固定22SDPOpkpkDOSSSPNtNIIItIttNN=OVINVSSPINpkonPVItL=2SPSOPonNLtINtVt=PLSLMNinDVtSDtINV2（）

（1）

（1）SPSOPoninDNLtINtnVntn=2SMSOPoninDNLtINtVt=根据第根据第n-1个周期个周期inDDt的消磁时间以及输入电压确定的消磁时间以及输入电压确定第第个周期的导通时间个周期的导通时间inVont2013/9/2030实现方式3（见专利US7505287）第第n个周期的导通时间个周期的导通时间on实现方式3的恒流调整过程实现方式3的恒流调整过程CCCC未进行调整调整过程输入输入Vin不变，负载变化时：

不变，负载变化时：

稳态1输入电压为Vin输出恒流Io负载电阻为R1CC负载电阻突变为R2（假如R2pkDIt1212OOOOVVPP负载不变，输入负载不变，输入Vin变化时：

变化时：

inpkonMVItL=ont1OV1OP2OV2OPVVpkDIt2013/9/20311OP12121212ininononOOOOVVttIIPP功率管M的关闭由比较器1决定PSR工作在工作在PWM方式恒压方式恒压OVINVR（PWM恒压原理可参考2.3.1.1小节）LR恒压（CV）时没有起作用M没有起作用OSC根据输出电压Vo调整脉冲的频率；CV时VVSRpkV的频率；CV时Vo不变，所以OSC输出频率固定的脉冲信号pkEVVQRrefVEVEV定的脉冲信号QQRSE恒压（CV）时实际起作用的电路部分2013/9/2033电路部分PSR恒流工作（CC）时pkEVV功率管M的关闭由比较器2决定PSR工作在工作在PFM方式恒流方式恒流OVINVR（PFM恒流原理可参考232小节）LR恒流（CC）时起实际作用考2.3.2小节）M恒流（CC）时不起实际作用起实际作用SRpkV实OSC根据输出电压Vo调整脉冲QRrefVEVEV的频率；CC时Vo变化，OSC根据采样到的VoQQRSE信息调整输出脉冲的频率2013/9/2034PWM方式的CV向PFC方式的CC的切换过程PWM方式的CV向PFC方式的CC的切换过程RL减小（负载加重）VVV开始由CVRL减小（负载加重）EVEpkVV=向CC切换pkVEVRVEVpkVIILREVPIPI2013/9/20353、PSR的关键技术问题

（1）芯片的低启动电流和较大的UVLO滞回窗口

（1）芯片的低启动电流和较大的UVLO滞回窗口（22）EMIEMI问题问题（22）EMIEMI问题问题（33）轻载时的效率轻载时的效率（33）轻载时的效率轻载时的效率（4）前沿消隐（4）前沿消隐（5）如何在原边精确检测副边的消磁时间（5）如何在原边精确检测副边的消磁时间（6）如何在原边精确检测输出电压Vo（6）如何在原边精确检测输出电压Vo（7）对输出整流二极管D的温度补偿（7）对输出整流二极管D的温度补偿2013/9/2036（8）zero-voltageswitching（8）zero-voltageswitching

（1）低启动电流，较大的UVLO窗口DLVDLCstartRPORDDCPORDDC齐纳二极管（Z）串联施密特触发器实现滞回窗口VDDUVLO低启动电流低启动电流齐纳二极管（Zener）串联，施密特触发器实现滞回窗口VDD达到开启阈值POR信号打开模拟电源供电和数字电源供电低启动电流低启动电流2013/9/2037VDD未达到开启阈值POR信号关闭模拟电源供电和数字电源供电

（2）EMI问题EMI：

电磁干扰危害：

干扰电网，高频辐射，降低效率sf解决办法：

跳频（frequencyhopping）sf45.6KHz43.0KHz40.4KHz跳频技术（frequencyhopping）通过将能量分散到比EMI测试仪带宽更广阔的范围从而实现降低EMI2013/9/2038的范围，从而实现降低EMI（3）轻载时的效率轻载时开关损耗增大，效率降低降频，减小开关损耗，提高效率2013/9/2039（4）前沿消隐（LEB）LRTDINV0VPNSNPLPiSLSiLR0CMontofftpC寄生电容原边电流电流尖峰Gate开关管导通瞬间存在电流尖峰可能导致芯片误操作可能导致芯片误操作电流比较器在开关导通后设计前沿消隐电路2013/9/2040电流比较器在开关导通后的一小段时间不工作，避免误操作（LeadEdgeBlank）（5）检测副边的消磁时间副边电流的过零点检测消磁时间的重要性转化2DPOpkSStNIItN=的重要性2013/9/2041辅助绕组振铃电压的过零点（6）如何在原边检测输出电压VoTDINVPLPiSLSiLR0CTMttpContofft输出整流二极管D的非线性次级端存在寄生电阻R在原边精确检测输出电压Vo很难次级端存在寄生电阻引起的IR压降很困难副边消磁完毕时电流为0，输出整流二极管的正向电压Vf和副边绕组的电压就等于输出电压Vo，V耦合到原边就可以在原边2013/9/2042输出整流二极管的正向电压Vf和寄生电阻的IR压降都为0Vo耦合到原边就可以在原边精确检测到输出电压（7）对输出整流二极管D的温度补偿DloadROVPNSN没有温度补偿时：

AN21211122（）SAOFREFOREFFSANNRRRVVVVVVNRRRN+=+Vs1RFV随着T的增加而减小，则Vo随T增加而增加；1REFV2RTI增加温度补偿后：

2121（）AOFTREFNRRRVVIV+=1121211212（）OFTREFSSSOREFFTAAVVIVNRRRRNRNRRVVVIRNN+=负温度特性，正温度特性，互相抵消，实现补偿FVTI2013/9/2043（8）zero-voltageswitching（8）zero-voltageswitching（qquasi-resonantmode）uasi-resonantmode）qqTDINV0VPNSNT3时刻时刻Vaux最小，开关管最小，开关管M的漏源电压的漏源电压Vds也最小也最小PLPiSLSiLR0CMontofftpC在在M的漏源电压的漏源电压Vds最小时开启功率管最小时开启功率管M最小化开关应力最小化开关应力和开关损耗和开关损耗提高效益提高效益在消磁完毕后在消磁完毕后2013/9/2044和开关损耗和开关损耗,提高效益提高效益，降低，降低EMI在消磁完毕后在消磁完毕后谐振的最小值处开启功率管谐振的最小值处开启功率管2013/9/2045