開(kāi)關(guān)電源原邊反饋技術(shù)

原邊反饋(PSR)

在小功率消費(fèi)類(lèi)電子應(yīng)用中，反激式電源是主流，因?yàn)榉醇な诫娫捶浅＿m合小功率段，同時(shí)天然提供了隔離的效果。

隔離后，如果要檢測(cè)輸出的情況，需要用隔離元件，比如光耦等，這樣就增加了電源的成本，光耦本身的壽命也會(huì)成為電源的瓶頸，基于此，開(kāi)發(fā)出了原邊反饋技術(shù)。

原邊反饋不從輸出直接采樣，而是從初級(jí)線圈采樣，通過(guò)初級(jí)線圈的情況來(lái)計(jì)算次級(jí)線圈的情況，進(jìn)一步推算輸出的情況。

部分信息難以從初級(jí)線圈直接得到，因此通常還使用一個(gè)輔助線圈，輔助線圈和初級(jí)線圈共地，和次級(jí)隔離。

輔助線圈的用途

增加輔助線圈會(huì)增加成本和復(fù)雜度，因此，最好能讓輔助線圈完成更多的工作，一般輔助線圈都同時(shí)做2件事情：

反映初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的情況，輔助線圈通過(guò)電阻分壓，將原邊和副邊的電壓情況反映在VSES點(diǎn)，此時(shí)輔助線圈和原邊/副邊構(gòu)成變壓器。

和初級(jí)線圈形成一個(gè)反激結(jié)構(gòu)，給IC供電，由于反激結(jié)構(gòu)本身無(wú)法恒壓，因此要加一個(gè)限壓的二極管。

不使用輔助線圈是否可行？

如果不要求輔助線圈供電，那么是否可以用其他檢測(cè)方法，比如在初級(jí)線圈上檢測(cè)來(lái)做原邊反饋?

理論上是可行的，思路如下：

在初級(jí)線圈上并聯(lián)一個(gè)高阻支路，對(duì)初級(jí)線圈進(jìn)行采樣，同時(shí)提供TOFF期間初級(jí)線圈的回路。

考慮到檢測(cè)電壓必須為正，因此有兩種基本形式，如下圖：

檢查輸出信息的方法

原邊反饋不能得到所有的輸出信息，但可以得到較多的輸出信息。

不能得到輸出電流信息，但可以得到初級(jí)的電流信息。

不能直接得到輸出電壓信息，可以通過(guò)輔助繞組來(lái)得到輸出電壓信息。

可檢測(cè)性

電感兩端電壓太高，檢測(cè)IL和VD很困難，通過(guò)ISES和VSES檢測(cè);

考慮到隔離要求，次級(jí)電流和輸出電壓不能直接檢測(cè)，只能通過(guò)其他值計(jì)算出來(lái)。

PSR輸出電壓計(jì)算

MOS管關(guān)斷后，變壓器中儲(chǔ)存的能量都由次級(jí)和輔助線圈釋放出來(lái)，次級(jí)線圈和輔助線圈形成變壓器，此時(shí)VSES上的電壓為：

VD和次級(jí)線圈的電流有關(guān)，電流越小，VD越小，電流為0時(shí)，VD為0。

因此，在去磁點(diǎn)時(shí)刻，VO電壓為：

膝電壓的定義

當(dāng)流過(guò)次級(jí)二極管的電流為0后，變壓器退磁，此時(shí)VD比VIN高一個(gè)反射電壓，初級(jí)電感和寄生電容形成的LC電路開(kāi)始震蕩，初級(jí)電感上的電壓將從VDVIN開(kāi)始，以正弦方式往下降。

這樣，在VSES上看到的電壓將呈現(xiàn)出一個(gè)膝蓋狀，因此，將退磁點(diǎn)電壓稱(chēng)為膝電壓。

因?yàn)檎移鹗键c(diǎn)處的斜率為1，膝電壓就是電壓斜率從負(fù)載消耗導(dǎo)致的斜率變化到1的時(shí)刻的電壓。

PSR輸出電流計(jì)算

MOS管關(guān)斷后，變壓器中儲(chǔ)存的能量都由次級(jí)和輔助線圈釋放出來(lái)，此時(shí)次級(jí)的平均電流為：

ISND_PK無(wú)法直接測(cè)到，只能由ISES_PK近似換算得到：

TOFF的測(cè)量也依賴于膝電壓的時(shí)刻，但是需要的不是電壓值，而是膝點(diǎn)的時(shí)刻。

電流和電壓檢測(cè)的共同點(diǎn)

共同之處就是都需要檢測(cè)到膝點(diǎn)。

對(duì)于電流來(lái)說(shuō)，檢測(cè)到膝點(diǎn)，然后根據(jù)膝點(diǎn)和開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)的時(shí)刻計(jì)算出TOFF，加上ISES的電流，就能算出平均輸出電流。

對(duì)于電壓來(lái)說(shuō)，需要檢測(cè)到膝點(diǎn)的電壓，具體的方法就是檢測(cè)到膝點(diǎn)，然后看當(dāng)前時(shí)刻VSES上的電壓，從而根據(jù)匝比得出當(dāng)前時(shí)刻的輸出電壓。

膝點(diǎn)檢測(cè)算法

有2種檢測(cè)方法，一種是從前往后檢測(cè)，另一種就是從后往前檢測(cè)。

從前往后檢測(cè)，是通過(guò)延遲，或者是斜率轉(zhuǎn)變的方法來(lái)找到膝點(diǎn)的時(shí)刻。

從后往前檢測(cè)，是利用膝點(diǎn)后諧振頻率固定的特點(diǎn)，從過(guò)零點(diǎn)反推膝點(diǎn)的位置。

各方法對(duì)比

延遲法，從TOFF開(kāi)始，延遲一段時(shí)間，檢測(cè)VSES。

這個(gè)方法可想而知是非常不精確的，因?yàn)門(mén)OFF的時(shí)間變化很大。

檢測(cè)斜率法，檢測(cè)VSES的斜率，通過(guò)波形分析算法找出膝點(diǎn)。

這個(gè)方法只有在TOFF區(qū)間的斜率和TDEAD區(qū)間的斜率存在明顯差別時(shí)才管用，而且由于在TDEAD區(qū)間，振蕩是呈正弦曲線，膝點(diǎn)處不存在斜率轉(zhuǎn)折，必須依靠某種算法來(lái)推算出膝點(diǎn)。

諧振反推法，膝點(diǎn)后，初級(jí)電感的諧振會(huì)傳到輔助線圈，檢測(cè)輔助線圈的過(guò)零點(diǎn)可以得知諧振頻率，用過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻減掉1/4周期，就是膝點(diǎn)。

這個(gè)方法用于測(cè)時(shí)間恒流還是比較簡(jiǎn)單的，用于恒壓時(shí)必須將電壓的檢測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)間的檢測(cè)。

諧振反推法實(shí)現(xiàn)恒壓

諧振后，檢測(cè)次級(jí)線圈的過(guò)零點(diǎn)就能得知諧振周期，因此，當(dāng)輸出電壓恰好等于參考電壓時(shí)，VSES和VREF的交點(diǎn)到過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間TFB也應(yīng)該恰好等于1/4諧振周期TR。

如果TFB比TR/4大，說(shuō)明輸出電壓較低，以至于VSES和VREF的交點(diǎn)提前了，反之，如果TFB比TR/4小，說(shuō)明輸出電壓較高，以至于VSES和VREF的交點(diǎn)推遲了。

VZC表示過(guò)零點(diǎn)閾值，并不是0V，通常為一個(gè)非常小的電壓，比如0.125V之類(lèi)的。

斜率法和諧振反推法的對(duì)比

注意到斜率法和諧振反推法是優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)的：

如果TOFF和TDEAD期間的斜率差別越大，越適合用斜率法，如果TOFF和TDEAD期間的斜率差別越小，越適合用諧振反推法。

實(shí)際上，TOFF期間的斜率通常很小，以至于噪聲對(duì)VSES和VREF交叉點(diǎn)的檢測(cè)有很大的影響，如果采用諧振反推法，必須有某種消除噪聲的方法。

使用諧振反推法還要注意一點(diǎn)是，由于膝點(diǎn)前后斜率差別較大，TFB偏大和偏小時(shí)，誤差時(shí)間TERR=TR/4 – TFB在大于0和小于0的時(shí)候具有完全不同的環(huán)路增益。

斜率越低，輸出電壓變化導(dǎo)致的時(shí)間變化差距越大，環(huán)路增益越高，也就是說(shuō)，當(dāng)輸出電壓小于基準(zhǔn)電壓時(shí)，環(huán)路增益高，當(dāng)輸出電壓大于基準(zhǔn)電壓時(shí)，環(huán)路增益低。

將PSR技術(shù)用于非隔離拓?fù)?/p>

通常來(lái)說(shuō)，非隔離拓?fù)淇梢灾苯訖z測(cè)輸出VO，沒(méi)必要使用復(fù)雜的PSR技術(shù)先檢測(cè)VSND，然后計(jì)算VO，但有一種情況例外：就是需要一個(gè)IC同時(shí)支持隔離和非隔離的時(shí)候。

從市場(chǎng)的角度來(lái)說(shuō)，隔離和非隔離都是需要的，如果用相同的技術(shù)來(lái)解決，無(wú)疑可以節(jié)省大量研發(fā)成本。

PSR固有的問(wèn)題

檢測(cè)的非實(shí)時(shí)性：每個(gè)切換周期，只有一次正確檢測(cè)輸出電壓的機(jī)會(huì)，不能像其他非隔離型拓?fù)湟粯涌梢噪S時(shí)隨地的檢測(cè)輸出，而且這個(gè)輸出電壓的檢測(cè)還依賴于變壓器的退磁，變壓器的退磁點(diǎn)未到來(lái)之前，輸出端發(fā)生的任何變化都無(wú)法被檢測(cè)。

線纜壓降：能得到電壓只是電容兩端的電壓，而不是負(fù)載兩端的電壓，當(dāng)次級(jí)存在明顯的寄生電阻時(shí)，檢測(cè)到的電壓會(huì)明顯偏低。

去磁點(diǎn)時(shí)，流過(guò)二極管的電流為0，電容兩端的電壓等于副邊的電壓，但是流過(guò)寄生電阻的電流不為0，負(fù)載上的電壓要小于檢測(cè)到的電壓。

負(fù)載突變的問(wèn)題

檢測(cè)的非實(shí)時(shí)性主要體現(xiàn)在負(fù)載突變時(shí)，比如熱插拔。

在充電器領(lǐng)域，熱插拔是必須支持的，在LED領(lǐng)域，熱插拔也是有必要支持的，很多規(guī)范都要求熱插拔。

熱插拔包括空載>滿載，和滿載>空載兩種極端情況。

真實(shí)情況下，并不是每次都是滿載，但如果能支持滿載空載切換，必然可以支持其他切換。

空>滿的切換會(huì)導(dǎo)致輸出跌落，滿>空的切換會(huì)導(dǎo)致輸出過(guò)沖，要避免這兩種情況，必須使用非線性控制，IC檢測(cè)到熱插拔后，立即調(diào)整控制策略。

熱拔

如果在TOFF區(qū)間，也就是次級(jí)輸出時(shí)熱拔，相當(dāng)于次級(jí)的負(fù)載阻抗突然升高，此時(shí)會(huì)有個(gè)小的電壓突變，隨后所有的能量會(huì)在電容上聚集，輸出電壓將升高。

如果在非TOFF區(qū)間熱拔，除了看不到小的電壓突變，導(dǎo)致的最終結(jié)果和前面是沒(méi)有區(qū)別的。

假負(fù)載

如果不能保證每次都能檢測(cè)到且能處理好熱拔，就必須在輸出上加上假負(fù)載或穩(wěn)壓管，讓其能承擔(dān)泄放工作。

假負(fù)載一般使用電阻，電阻值要小心選取，過(guò)大了泄放效果不好，過(guò)小又制造大功耗。

熱插和短路判斷

熱插時(shí)，負(fù)載突然變小，輸出電壓會(huì)跌落，電源需要輸出更多的能量到次級(jí)，但是要區(qū)分熱插和短路。

不光要區(qū)分熱插和短路，在任何時(shí)候都需要判斷是否短路。

短路時(shí)，TOFF時(shí)間會(huì)變得很短，可以通過(guò)檢查T(mén)OFF開(kāi)始到VSES過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間來(lái)判斷，或者通過(guò)TOFF區(qū)間的斜率來(lái)判斷。

如果輸出不在TOFF期間發(fā)生短路，就得等到下一個(gè)TOFF才能檢測(cè)到，在短路后，輸出電容會(huì)有很大的電流，這個(gè)大電流如果持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致電容溫升，會(huì)對(duì)電容的壽命會(huì)有一定的影響，所以能盡早的檢測(cè)TOFF是很重要的。

假設(shè)需要一兩個(gè)周期才能檢測(cè)到短路，是否會(huì)對(duì)電容壽命產(chǎn)生不利影響，這個(gè)目前不清楚。

區(qū)分熱插，短路，開(kāi)機(jī)

這3者都表現(xiàn)為輸出要吸收大量能量，但三者的處理方法卻不能相同。

熱插需要穩(wěn)壓，減少跌落的幅度和持續(xù)時(shí)間，短路需要識(shí)別到，并采取保護(hù)措施，而開(kāi)機(jī)則需要控制輸出平穩(wěn)的增加。

這三者主要的區(qū)別有：

初始狀態(tài)的不同，熱插的初始狀態(tài)為空載，短路的初始狀態(tài)為任意，開(kāi)機(jī)的初始狀態(tài)為初始態(tài)。

對(duì)輸出的影響不同，由于開(kāi)機(jī)的初始態(tài)輸出為0，開(kāi)機(jī)后輸出表現(xiàn)為增加，另外兩者都表現(xiàn)為減少，所以熱插和短路的區(qū)分更困難一些。

熱插拔抖動(dòng)

在人進(jìn)行插拔的過(guò)程中，端子實(shí)際上是抖動(dòng)著的，會(huì)進(jìn)行快速的碰撞，也就是說(shuō)，插拔的過(guò)程中會(huì)有大量的切換。

如果IC的檢測(cè)控制處理不當(dāng)，很可能會(huì)出問(wèn)題。

出問(wèn)題的原因在于空載時(shí)，切換頻率已經(jīng)降到非常低了，而滿載時(shí)通常要求切換頻率很高，芯片無(wú)法在這兩種情況之間快速切換。

低頻就意味著不可能快速的做某些事情。

原文標(biāo)題：【實(shí)用】開(kāi)關(guān)電源原邊反饋技術(shù)

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審核編輯：湯梓紅