【开关电源方案】必易微双管反激式开关电源方案介绍

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【开关电源方案】必易微双管反激式开关电源方案介绍

单管反激作为 AC-DC 中小功率段的主流应用拓扑，凭借其线性可控的工作模式和通俗易懂的控制逻辑为广大工程师所熟知和使用。而随着反激应用功率段的提升，单管在漏感能量处理方面的缺陷越发明显，致使 100W 以上应用时效率偏低和漏感电压尖峰偏高的问题无法解决。为追求高效率和高可靠性的平衡，工程师此时一般有两个选择，一个是努力优化变压器漏感，尽量压低漏感感量绝对值从而降低漏感能量；另一个选择是采用更高效率的拓扑，一般而言以 LLC 为代表。而前者对于变压器的优化受限于性价比和生产条件限制，并非最优路径，故绝大部分工程师都会倾向更换更高效率拓扑。

据此，必易微向读者朋友隆重介绍我司具有全套方案的双管反激拓扑，并以实际案例展示我司双管方案的性能表现及在特定功率段下与 LLC 的性能优劣势对比。

▲图 1. 单管反激 VS 双管反激

双管反激工作原理介绍

▲图 2. 双管反激工作示意图

典型的双管反激拓扑由主电感 Lm、与其上下串联的两个开关管 Q1/Q2 以及二极管 D1/D2 组成原边部分，副边与单管反激相同；稳态工作时上下管处于同开同关状态。由上图可以发现，MOS OFF 期间开关管 VDS 存在两个平台，其中稍高的平台电压等于输入电压（漏感能量回收至 VIN 电容阶段），稍低的平台电压下管为输出电压的反射平台（去磁能量输出至 Vout 电容阶段）。由此可见，双管反激对于漏感能量提供了完整的回收路径，具体为 Lm+(Drain_low)->D1->VIN+->GND->D2->Lm-(Source_up)。相比于单管对于漏感能量的钳位消耗，双管反激通过对漏感的完整回收有效提升了整个拓扑的效率等级，同时避免了上下管 MOSFET 出现过高的尖峰电压应力，可谓一举两得。

必易微双管反激方案

KP2202+KP85305

▲图 3. KP2202+KP85305 典型应用图

KP2202 是一颗高频 QR 反激芯片，最多可锁定谷底数为 6 个，支持最高 500kHz 开关频率。KP85305 是一颗 650V 耐压的上下同开同关的高低侧栅极驱动器，具有 300mA/600mA 的 Gate 驱动能力，搭配 KP2202 可以实现高频 QR 双管反激驱动。KP2202 同时提供 VDDH 和 VDDL 两个供电端子，其中 VDDL 提供稳定的 12V 电压既用于自身供电，同时也给到栅极驱动芯片 KP85305 的 VDD 供电和上管自举电容开机预充。
具体充电路径见下图：

▲图 4. 双管预驱供电逻辑

必易微 180W/240W

PFC+双管反激方案

双管反激受限于漏感回收路径二极管限制，存在 Lm+(Drain_low) 端反射电压< VIN +电压的先决条件限制，否则反激励磁能量将与漏感能量一同被回收至 VIN 电容从而导致输出异常；故双管反激与 Boost PFC 电路存在天然亲和力。利用 Boost PFC 将输入电压提升至一个较高电压后，可以放宽对反射匝比的限制，利用大匝比降低谐振谷底电压值进而提升系统效率。
KP2806 是一颗无需辅助绕组检测谷底的 CRM 临界模式 Boost PFC 控制芯片，最大输出功率可达 300W 以上，搭配 KP2202+KP85305+KP4060 双管反激后可以实现高 PF/低 THD、高效率、高可靠性的两级方案，在 300W 以内和 LLC 对比具有较为明显的成本优势和几乎相当的效率表现。
以下是 180W/240W 两款不同输出规格的 PFC+双管两级方案具体表现：
180W/60V PFC+双管反激
▲图 5. 180W/60V PFC+双管反激实物图
▲图 6. 180W/60V 待机曲线

▲图 7. 180W/60V 效率曲线

▲图 8. 180W/60V  EMC-CE


240W/24V PFC+双管反激
▲图 9. 240W/24V PFC +双管反激实物图

▲图 10. 240W/24V 待机曲线

▲图 11. 240W/24V 效率曲线


▲图 12. 240W/24V  EMC-CE

双管反激和 LLC 优劣势对比

LLC 作为全谐振软开关的功率拓扑，其最大的优点是一三象限的类正弦能量传输叠加 ZVS/ZCS 的原副边软开关技术，相比于双管反激单一象限的能量传输限制和锯齿波峰值电流的原副边硬开关，效率和 EMC 表现上随着输入功率增加优势也越明显。以必易微 240W 24V-10A 样机为例，LLC 谐振方案效率可达满载 94.5%，而双管反激方案满载约 93.3%，已略低 1.2% 左右。
故双管反激应用存在明显的功率段性价比区间，即 100-300W 功率段内使用双管方案可以做到与 LLC 相近的效率表现，高于 300W 的应用受限于较低的效率表现双管已不具备明显的性价比优势。
在小于 300W 功率段内，双管反激和 LLC 优劣势对比：
▲表 1. 双管反激和 LLC 性能对比

以下以 240W 整体方案对比做为 BOM 成本的实例说明（黄色标底即为双管 BOM 可以省成本的器件）。
▲表 2. 240W 双管反激和 LLC BOM 成本对比

总结

双管作为单管反激的拓扑延伸，对工程师具有良好的设计习惯延续，同时具有低电压应力、完整漏感能量回收和高可靠性的优势，叠加我司高频 QR 驱动实现接近 ZVS 的零电压开通特点、兼容 coolmos 和氮化镓的驱动能力，可以助您轻松实现高性价比的产品迭代升级。

必易微全套 PFC+双管反激方案，适合于大功率 LED 驱动、中大功率工业电源、PD3.0/3.1大功率快充、大功率充电器（如电动自行车、平衡车、电动工具、园艺工具）、大尺寸液晶电视背光等应用，潜力无限，值得您的期待。