【導讀】離線(xiàn)反激式電源在變壓器初級側需要有鉗位電路（有時(shí)稱(chēng)為緩沖器），以在正常工作期間功率MOSFET開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)限制其兩端的漏源極電壓應力。設計鉗位電路時(shí)可以采用不同的方法。
離線(xiàn)反激式電源在變壓器初級側需要有鉗位電路（有時(shí)稱(chēng)為緩沖器），以在正常工作期間功率MOSFET開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)限制其兩端的漏源極電壓應力。設計鉗位電路時(shí)可以采用不同的方法。低成本的無(wú)源網(wǎng)絡(luò )可以有效地實(shí)現電壓鉗位，但在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期必須耗散鉗位能量，這會(huì )降低效率。一種改進(jìn)的方法就是對鉗位和功率開(kāi)關(guān)采用互補驅動(dòng)的有源鉗位技術(shù)，使得能效得以提高，但它們會(huì )對電源的工作模式帶來(lái)限制（例如，無(wú)法工作于CCM工作模式）。為了克服互補有源鉗位電路所帶來(lái)的設計限制，可以采用另外一種更先進(jìn)的控制技術(shù)，即非互補有源鉗位。該技術(shù)可確保以更具成本效益的方式使用鉗位能量。
本文將簡(jiǎn)要介紹反激式電源中對初級鉗位電路的需求。然后比較和對比無(wú)源鉗位方案、互補有源鉗位方案以及非互補有源鉗位方案的使用，最后介紹一款支持非互補鉗位方案且可實(shí)現超高功率密度反激電源設計的芯片組。
在反激式變換器中，當初級側開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，電壓(VOR)由次級側反射至初級側，存儲的能量通過(guò)變壓器傳輸到負載（圖1）。VOR經(jīng)變壓器圈數比加以放大，疊加在VDC輸入母線(xiàn)電壓后會(huì )增大開(kāi)關(guān)器件兩端的電壓應力。在傳統電路中，會(huì )使用無(wú)源初級鉗位電路來(lái)對這個(gè)電壓加以限制。
圖1：無(wú)源初級鉗位RCD解決方案（高亮顯示部分）需要耗散大量的熱量，限制了反激式電源的效率和工作頻率
除了電壓應力(VIN + VOR)外，在初級開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)還會(huì )產(chǎn)生很大的電壓過(guò)沖,這是由初級繞組漏感中存儲的能量造成的。鉗位電路可對由此三個(gè)方面因素構成的電壓過(guò)沖進(jìn)行限制以保護初級開(kāi)關(guān)（圖2）。此外，在這種電路配置下，功率開(kāi)關(guān)在漏極電壓較高時(shí)開(kāi)通。開(kāi)關(guān)損耗與VDS2成正比，因此高VDS會(huì )增加開(kāi)關(guān)的開(kāi)通損耗，從而進(jìn)一步降低效率。
圖2：開(kāi)通損耗和鉗位損耗都與開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)。
鉗位電容吸收漏感能量，但該能量隨后被鉗位電阻所消耗。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中都會(huì )有能量損失，這樣在現實(shí)當中就限制了開(kāi)關(guān)頻率的提高。而較低的開(kāi)關(guān)頻率，則需要使用更大的變壓器。因此，使用無(wú)源鉗位會(huì )增加損耗并不得不使用較低的開(kāi)關(guān)頻率，這兩種情況都會(huì )增大電源尺寸。而使用有源鉗位則可以突破這些限制。
互補有源鉗位
有源鉗位用一個(gè)開(kāi)關(guān)代替RCD鉗位中的電阻，這個(gè)開(kāi)關(guān)通常是一個(gè)功率MOSFET（圖3）。它不是用來(lái)耗散漏感能量，而是可以將漏感能量回傳至變壓器。在互補有源鉗位中，當主MOSFET關(guān)斷時(shí)，鉗位開(kāi)關(guān)開(kāi)通，兩者之間具有一小段死區時(shí)間。此時(shí)鉗位電容被充電。而在下一次主MOSFET開(kāi)通之前，鉗位開(kāi)關(guān)關(guān)斷，鉗位電容中的能量得以再循環(huán)至輸出端。這種有源鉗位被稱(chēng)為互補驅動(dòng)方案，因為主MOSFET和有源鉗位開(kāi)關(guān)以互補方式工作。
圖3：典型[互補]有源鉗位方案的簡(jiǎn)化原理圖
零電壓開(kāi)關(guān)可以使用復雜的自適應控制技術(shù)來(lái)實(shí)現，以實(shí)現漏感和鉗位電容之間的諧振。當鉗位開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，漏感與鉗位電容諧振產(chǎn)生的負向電流，在功率MOSFET開(kāi)通之前對其COSS兩端的電壓進(jìn)行放電，從而實(shí)現零電壓開(kāi)關(guān)。對于輸出電容比較高的設計，將會(huì )導致諧振效果變差（輸出電容會(huì )經(jīng)過(guò)變壓器反射至初級，進(jìn)而增加鉗位電容的容量）。通常變壓器當中將會(huì )沒(méi)有足夠的漏感儲能來(lái)適應這種鉗位容量的變化。為了克服這個(gè)問(wèn)題，電源輸出端往往需要使用兩級LC濾波器來(lái)確保低的初級反射電容，同時(shí)還要滿(mǎn)足輸出紋波要求。這種互補有源鉗位方案是對無(wú)源鉗位的改進(jìn)，但仍存在以下限制：
1.需要在輕載下使用脈沖串模式，這會(huì )導致更高的輸出紋波
2.兩級輸出濾波器
3.僅限于臨界導通模式或非連續導通模式（CrM和DCM）；沒(méi)有CCM工作模式，使輸出電壓范圍寬的USB PD設計難以實(shí)現
使用非互補有源鉗位提高性能
采用非互補控制方案，不是在主MOSFET關(guān)斷后的一小段時(shí)間后立即開(kāi)通鉗位開(kāi)關(guān)，而是在主MOSFET開(kāi)通之前短暫開(kāi)通鉗位開(kāi)關(guān)。非互補控制能夠在連續導通模式以及非連續導通模式（和CrM）下操作，并且仍可實(shí)現零電壓開(kāi)關(guān)。這使得設計出的電源具有非常寬的輸入電壓范圍和較寬的輸出電壓范圍，后者是設計高效USB PD充電器所需要的。對于傳統的控制方案，非互補鉗位開(kāi)關(guān)的驅動(dòng)信號與初級開(kāi)關(guān)以及同步整流開(kāi)關(guān)的同步設計面臨著(zhù)挑戰。而采用單個(gè)控制器來(lái)管理所有三個(gè)器件的開(kāi)關(guān)操作，可大大簡(jiǎn)化電路并確?？煽坎僮?。
圖4：對于非互補模式開(kāi)關(guān)，有源鉗位開(kāi)關(guān)僅在主開(kāi)關(guān)開(kāi)通之前開(kāi)關(guān)一次
非互補有源鉗位控制可以使用Power Integrations的Innoswitch?4-CZ/ClampZero?芯片組加以實(shí)現（圖5）。InnoSwitch4-CZ器件采用InSOP?-24D封裝，內部集成了可靠耐用的PowiGaN? 750V開(kāi)關(guān)以及用于控制主開(kāi)關(guān)、鉗位開(kāi)關(guān)和同步MOSFET操作的次級控制器，同時(shí)內部含有滿(mǎn)足安全標準的FluxLink?控制鏈路。InnoSwitch4-CZ IC包括兩個(gè)專(zhuān)門(mén)用于ClampZero有源鉗位非互補控制的引腳：用于開(kāi)通和關(guān)斷ClampZero開(kāi)關(guān)的上管驅動(dòng)(HSD)引腳，以及用于測量直流母線(xiàn)電壓的V引腳。
圖5：InnoSwitch4-CZ的HSD信號用于控制ClampZero有源鉗位的開(kāi)關(guān)，
V引腳用于檢測高輸入電壓條件，進(jìn)而使能非連續工作模式
次級側控制器發(fā)出指令，啟動(dòng)HSD信號，將ClampZero PowiGaN開(kāi)關(guān)開(kāi)通，以便在初級PowiGaN開(kāi)關(guān)換向前使漏感和鉗位電容產(chǎn)生諧振。ClampZero器件的關(guān)閉和主開(kāi)關(guān)的開(kāi)通之間存在非常小的延遲，可以利用HSD引腳上的小電阻從外部進(jìn)行調整，以幫助優(yōu)化時(shí)序。
在連續導通模式下，HSD信號在漏感與鉗位電容諧振周期的四分之一時(shí)間內保持開(kāi)通。在很寬的工作范圍內使用這種諧振模式所面臨的一個(gè)挑戰是，漏感通常是一個(gè)非常小的數值，在高壓輸入條件下主開(kāi)關(guān)管兩端的電壓較高，這就需要更多的能量實(shí)現零電壓開(kāi)關(guān)。因而漏感的儲能往往不夠。這也是為何此時(shí)非連續導通控制模式需要介入的原因。
對于非連續導通模式（高輸入電壓工作），HSD信號脈沖寬度變?yōu)閯畲烹姼校由下└?，盡管漏感與勵磁電感相比分量通常非常?。┖豌Q位電容產(chǎn)生諧振的諧振周期的四分之一時(shí)間。V引腳的輸入電壓信息用于控制非連續導通模式的啟動(dòng)。當檢測到高輸入電壓條件時(shí)，ClampZero關(guān)斷驅動(dòng)信號和主開(kāi)關(guān)開(kāi)通驅動(dòng)信號之間的延遲也會(huì )增加。這為勵磁電感（加上漏感）與鉗位電容之間的諧振提供了更多時(shí)間，以降低主功率開(kāi)關(guān)上的電壓。這種工作模式不需要互補有源鉗位電路所需的脈沖串工作模式，避免了互補模式控制帶來(lái)的更高輸出紋波和音頻噪聲的風(fēng)險。
總結
離線(xiàn)反激式電源需要使用初級側鉗位電路來(lái)保護功率MOSFET。使用無(wú)源RCD鉗位成本低，但性能較低。使用具有互補控制方案的有源鉗位可以提高性能，但仍然存在局限性。InnoSwitch4-CZ IC產(chǎn)品系列可提供獨特的控制架構，進(jìn)而實(shí)現更復雜的非互補有源鉗位控制，采用此方案可設計出具有非常寬的輸入電壓范圍和較大的輸出電壓設定點(diǎn)變化的高效、超緊湊USB PD充電器。Power Integrations的InnoSwitch4-CZ/ClampZero芯片組可用于簡(jiǎn)化采用非互補控制的有源鉗位方案，并加快上市時(shí)間。
(來(lái)源：Power Integrations，作者：Roland Saint Pierre，Power Integrations新產(chǎn)品定義總監)
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