藉助XMC1000實現准諧振控制
本文介紹了准諧振控制作為一項技術，相比於其他常規控制方法，可使傳統模式電源實現最高能效。本文還探討了如何使用英飛凌的XMC1000單片機家族來實現這項技術。文中給出了代碼示例作為參考，以助力簡化和加快其實現。
開關電源已經成為人們日常生活中使用的許多設備的重要組件。過去，它們通常採用簡單電路來實現。隨著市場日益要求更小巧、更輕便、更高效的電源，多種控制技術應運而生，以滿足這些要求。其中最受歡迎的控制技術之一名為「准諧振控制」，亦稱「谷值開關」。
本應用筆記就用戶如何使用XMC1000單片機家族來實現准諧振控制給予了提示和指導。
1.電源導通模式
開關電源的等級劃分依據是其向負載提供的輸出功率總量。假設某電源具備恆定輸出電壓，那麼，其輸出電流應與輸出功率成正比。取決於輸出電流幅值，可以在電源的磁性組件上觀察到三種截然不同的導通模式。圖1所示為由恆定脈寬調製（PWM）信號驅動的升壓轉換器，以演示這些導通模式。本例假定升壓轉換器已到達其穩定狀態。
（1）連續導通模式（CCM）
有些轉換器經專門設計，可以永久地在連續導通模式（CCM）下運行。另一些轉換器則可在多種不同導通模式下運行，並且當向負載提供很高輸出功率（重負載條件）時，將切換至連續導通模式，其特徵是電流持續流過磁性組件（通常是電感器或變壓器）。
MOSFET硬開關過程中損耗較高，因此，這種導通模式的能效相對較低。該模擬所示為升壓轉換器在連續導通模式下運行時的狀態。
（2）臨界導通模式（CrCM）
臨界導通模式（CrCM），亦稱過度模式或邊界模式，在下一個開關周期開始之前，當電感電流到達零時，即進入臨界導通模式。向負載提供中等功率時，常常使用臨界導通模式。然而，有些轉換器經專門設計，在各種負載條件下，均始終在臨界導通模式下運行。
MOSFET中的導通損耗有所降低，因此，這種導通模式的能效相對較高。該模擬所示為升壓轉換器在臨界導通模式下運行時的狀態。
一般而言，通過加裝零電流檢測（ZCD）電路，即可實現這種運行模式，如圖1所示。零電流檢測電路能夠檢測出電感電流過零，可用於觸發下一個開關周期。在升壓PFC中，每個開關周期都使用恆定導通時間來迫使電感電流與輸入電壓的相位和波形相同。
（3）非連續導通模式（DCM）
當向負載提供的輸出功率很低（譬如輕負載） 時，即進入非連續導通模式（DCM），其特徵是電流斷斷續續流過磁性組件。有些轉換器經專門設計，可以永久地在非連續導通模式下運行，特別是低功率、低成本轉換器，因為這種模式易於控制並且可以實現優良的瞬態性能。
非連續導通模式的特徵是，在下一個開關周期開始之前，電感電流保持為零一段時間。非連續導通模式的實現通常採用恆頻開關和較小占空比，並且一般而言，下一個開關周期不以任何方式與漏源電壓（VDS）振蕩同步。
在升壓轉換器中，當電感電流到達零時，輸出二極體變為反向偏置。這可防止當輸出電壓高於輸入電壓時，電流在反方向上流動。此時，VDS恢復穩定狀態，即到達輸入電壓。受MOSFET中的寄生電容和來自磁性組件的電感的影響，VDS在到達穩定狀態之前表現出欠阻尼振蕩。
類似於臨界導通模式，由於MOSFET中的開啟損耗有所降低，這種導通模式的能效相對較高。該模擬為升壓轉換器在非連續導通模式下運行時的狀態。
一次性開關
突然開啟MOSFET時，可以清楚地觀察到MOSFET VDS的阻尼振蕩，如下圖所示。
在欠阻尼振蕩中，「波谷」和「波峰」隨時間的推移逐漸平緩，直到VDS恢復穩態平衡點。就升壓轉換器而言，穩態平衡點即輸入電壓VIN。該模擬為升壓轉換器的波形圖。
2.硬開關VS軟開關
第1節詳細介紹了電源的各類型導通模式——所有這些導通模式都假定為理想狀態。本小節考慮了開關過程中，各種組件的非理想狀態——這主要是受寄生電容和電感的影響；以及這樣的非理想狀態如何造成開關損耗。
（1）硬開關
鉗位感性負載應用（如升壓轉換器）中用作開關元件並在連續導通模式下運行時，其導通和關斷開關過程並非瞬時完成。有一個短暫瞬間，其VDS和ID相互重疊。這是開關損耗的主要源頭，它在很大程度上受MOSFET寄生電容的影響。
這種現象亦被稱為「硬開關」，每當電源在連續導通模式下運行時，就會發生這種現象，因為在電感電流到達零之前，下一個開關周期便已開始。圖6所示為波形。VDS與ID之間的重疊區域表示開關損耗（PLOSS = VDS * ID），已高亮顯示。
（2）軟開關
a.零電壓開關（ZVS）
既然明白了開關損耗是如何產生的，那麼，我們可以順理成章地想到，只要能在MOSFET VDS到達零時觸發下一個開關周期，就可以完全消除開關損耗。這樣的方法被稱為零電壓開關（ZVS），如下圖所示。
然而，諸如升壓轉換器、降壓轉換器或反激式轉換器等標準電源拓撲無法實現零壓開關，因為其VDS收斂到輸入電壓。這種方法要求具備諸如LLC或LCC等諧振電路的專門的「諧振拓撲」來實現零壓開關。
b.零電流開關（ZCS）
設計為在臨界導通模式或非連續導通模式下運行的電源轉換器中，在下一個開關周期開始之前，磁性組件中的電流將到達零。這被稱為零電流開關（ZCS），它可最大限度地縮小VDS與ID之間的重疊區域，從而降低開關損耗，儘管並未完全消除開關損耗。
與連續導通模式硬開關形成對比，零電壓開關和零電流開關亦被稱為「軟開關」。
3.准諧振開關
如前文所述，在所有標準電源拓撲（升壓轉換器、降壓轉換器和反激式轉換器）中，每個開關周期結束後，VDS均收斂到輸入電壓。因此，MOSFET的漏源寄生電容（CDS）存儲了一些電荷，在下一個開關周期通過MOSFET釋放。這表現為MOSFET產生額外的瞬態漏極電流（ID）變大。
如果非連續導通模式電源轉換器開關以恆定頻率工作，那麼，下一個開關周期可能在任意波谷或波峰開始，因此開關損耗波動顯著。如果下一個開關周期在波峰開始，則會加劇開關損耗，反之亦然；如果下一個開關周期在波谷開始，則可減少開關損耗。
通過在任意波谷中間觸發下一個開關周期，可使VDS保持在最低水平。假設相同量的漏極電流ID流過MOSFET，那麼，比之常規硬開關，導通損耗（PLOSS = VDS * ID)）的相對量可大幅降低。圖8表明了這種狀態，導通損耗降低體現為曲線下方的重疊區域縮小。
有時候，如果輸出電壓與輸入電壓的差值較大，那麼，當下一個開關周期開始時，VDS可能到達零值。這種情況下，導通損耗完全消除，實現類似於零電壓開關的運行狀態。因此，這種方法被稱為「准諧振開關」或「谷值開關」。
准諧振開關始終在非連續導通模式下運行，要求使用零電流檢測（ZCD）電路來迫使下一個開關周期在最低VDS（即，波谷）開始。
准諧振導通模式可以最大限度地降低MOSFET的開啟損耗，從而實現最高能效。該模擬為升壓轉換器在准諧振導通模式下運行的狀態。
谷值跳躍
在採用升壓轉換器或反激式轉換器的交流/直流功率因數校正應用中，可以實現具備恆定導通時間的准諧振開關。這種方法的效果和臨界導通模式一樣。
隨著PFC負荷降低，導通時間將相應地縮短，以維持恆定的輸出電壓。這樣一來，PFC的平均開關頻率就會提高。儘管准諧振模式可以大幅降低開關損耗，但開關損耗仍會隨開關頻率的提高而再次增加。此外，電磁干擾（EMI）亦會加劇。
為了緩解這個問題，可以通過在後繼波谷觸發下一個開關周期來降低開關頻率。這種方法被稱為「谷值跳躍」，它可在低負荷條件下降低開關損耗，同時將EMI維持在可接受的水平。
下圖所示為谷值跳躍，MOSFET接通在第二個波谷執行。
谷值跳躍可以降低開關頻率，而不影響能效。該模擬為升壓轉換器在准諧振導通模式下運行的狀態，它每隔一個波谷接通MOSFET。
4.藉助英飛凌設計工具執行電路模擬
Infineon Designer是業界首個兼具模擬和數字電路模擬功能的互聯網設計工具，它基於SPICE，具有強大的模擬引擎。Infineon Designer有助於工程師輕鬆模擬和修改電路，從而評估應用電路及英飛凌產品，最終通過模擬優化電路設計。
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