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谈谈 QR 能使反激电源的效率提升多少

现在QR越来越多的用在反激电源中，俨然已经成了大趋势。QR的好处大家都知道，能提升效率同时减小EMI。这是书上说的。实际用过的人感觉并不一样。有人说效率根本没什么提升，甚至还不如CCM。也有人讲能提高效率 5%。QR到底能提高多少效率呢？不知道有没有人做实验比较过，好像在坛子里还没有发现。类似的问题之前有人提出，但是没有什么反应。相信现在很多人都接触过了QR的设计方案，如今再把这个问题提出来，不知道大家有没有兴趣讨论一下 ~ 

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mko145
LV.8
2
2012-06-25 17:27

先找个图看看 ~   有人讲 QR（准谐振技术），可以实现开关管的零电压开通，从而提高了效率、减少了EMI噪声。实际上MOS管在开通时 Vds似乎并不是0。只不过电压处于相对的低位，也就是所谓的低谷。 当然，相对来说效率还是有所提高，EMI也会相应的有所减少

 

另外，这个谷底越低，就越接近于零电压。于是就有了要尽量提高反射电压Vor的说法 ~

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mko145
LV.8
3
2012-06-25 17:41

换一张图看的清楚些 ~ 

   


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mko145
LV.8
4
2012-06-26 09:56
由上图看出，这个QR谐振是以Vin为中轴，以Vor为初始振幅，不断衰减的振荡。这个振荡的能量来自MOS管两端的电容Cp，或者叫Ctot。这个Ctot包括MOS管的输出电容Coss、变压器的寄生电容、线路的分布电容以及次级反射到初级的电容，一句话 - 就是Vds两端看到的所有电容的总和。开始看到 Ctot 的时候有些不解，tot什么意思呢？ 后来想明白了，应该是 total 的缩写 ~
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wei520
LV.6
5
2012-06-26 10:22
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mko145
LV.8
6
2012-06-26 10:44

参与振荡的电感是初级电感 Lp。  如果不受干扰的话，这个谐振会一路衰减下去直到消失。 

  

Ctot上面的能量由原来的 

   

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mko145
LV.8
7
2012-06-26 11:39
CCM模式下，由于初级电感上的能量没有全部传递到次级。MOS管开通的时候，次级的二极管上面还有电流。Vor一直存在，所以MOS管的Vds上没能出现振荡。MOS管开通过程中，Ctot上的电压由Vin+Vor变成 0。电容上的能量全部消耗在 MOS管上发热了，这也就是MOS管的开通损耗 turn-on loss（这里不讨论MOS管的 crossover loss）。其大小为

   

QR模式下电源实际上工作在DCM模式，MOS管选择在 Vds电压的低谷时开通。这样 Ctot上的能量损耗（也就是MOS管的turn-on loss）要小一些 ~ 所以，QR的实质是减小MOS管的开通损耗。

 
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mko145
LV.8
8
2012-06-26 12:08
那么MOS管上的这个开通损耗有多大呢？我们来看一下PI 的AN，由功率损耗的估算表中可以看出，一个输出34W、效率 87%的普通反激电源，其MOS管的开通损耗是0.43W，也就是总功率的 1%多一点。QR模式下，即使这个开通损耗减小到 0，效率的提升，充其量也就如此。

到这里我们似乎得出了结论 -- QR作用于反激电源，其效率的提高不太可能有 5%那么多，（PI的例子中）最多也不会超过1.5%。实际上由于谷底的电压并非0，这个效率的提升还要再打折扣 ~

 
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mko145
LV.8
9
2012-06-26 13:18
没有人来评论 ~ 不知道大家是同意我的分析，还是对这个话题不感兴趣。
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mjun
LV.7
10
2012-06-26 13:51
@mko145
没有人来评论~不知道大家是同意我的分析，还是对这个话题不感兴趣。
兄弟分析的有道理，QR实质上就是减少MOS管的开通损耗，但是MOS管的开关损耗中关断损耗才是主要的！
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zvszcs
LV.12
11
2012-06-26 14:55
@mjun
兄弟分析的有道理，QR实质上就是减少MOS管的开通损耗，但是MOS管的开关损耗中关断损耗才是主要的！[图片]
次级整流管的功耗也降低了
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mko145
LV.8
12
2012-06-26 15:50
@zvszcs
次级整流管的功耗也降低了
QR的工作模式就像一个频率变化的DCM, 所以实际上应该和 DCM模式相比较才合理 ~ 

记得 Z版之前在一个帖子里介绍了ON Semi 的最新准谐振 IC  NCP1380， 还附有振荡的波形 。  从波形中可以看出 -- 相比于之前的版本NCP1337， 1380增加了个 Frequency foldback 或者叫 VCO mode。在轻载的时候降低频率，以减少MOS管的开通损耗。该模式 ON Bright 的QR IC OB2361在几年前就有了

 ~【原创】ON新一代芯片的使用心得 [原]

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yhtfeel
LV.7
13
2012-06-26 16:14
@mko145
没有人来评论~不知道大家是同意我的分析，还是对这个话题不感兴趣。
分析的很好！顶起！
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mko145
LV.8
14
2012-06-26 16:27
@yhtfeel
分析的很好！顶起！
谢谢楼上的肯定 ~
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mko145
LV.8
15
2012-06-26 16:31
上面从PI的反激电源案例的MOS管损耗数据中，我们可以大致上了解 QR模式对于反激电源的效率提升有多大的影响，但并非准确的计算。下面用一个实际的电源案例来具体的算一下 ~  

手上的这个QR反激电源用的IC是OB2361。严格地来说这颗IC只能说是带有QR功能的PWM控制IC.因为IC并不是始终工作在QR模式，只有在高压或是低压轻载时才进入QR，低压满载时则工作在CCM模式。当负载很轻时，频率会降低到二、三十KHz，以减小开关损耗，也就是所谓的FB（Frequency foldback）。OB2361的这些特点很好的适应了没有PFC的小功率反激电源。最大限度的发挥了QR的优点，同时弥补了低压时QR效率低的不足。
有关的问题，坛子里的朋友之前曾经有指出过 ~ 请参看  能源之星5-----衬论QR之道

 
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10227
LV.7
16
2012-06-26 16:56
@mko145
那么MOS管上的这个开通损耗有多大呢？我们来看一下PI的AN，由功率损耗的估算表中可以看出，一个输出34W、效率87%的普通反激电源，其MOS管的开通损耗是0.43W，也就是总功率的1%多一点。QR模式下，即使这个开通损耗减小到0，效率的提升，充其量也就如此。到这里我们似乎得出了结论--QR作用于反激电源，其效率的提高不太可能有5%那么多，（PI的例子中）最多也不会超过1.5%。实际上由于谷底的电压并非0，这个效率的提升还要再打折扣~[图片] 

之前也有效率是否能提升如此多的问号,现在总算能进一步了解.

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mko145
LV.8
17
2012-06-26 17:12
先帖上些波形图 ~   如果用看图软件（例如ACDsee）一张张翻看，会很有趣 ~ 

Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=0.1A 
 


Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=0.2A 

  


Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=0.3A 

 


Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=0.4A

  

Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=0.5A 

 


Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=0.6A 

 


Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=0.7A 

 


Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=0.8A 

 


Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=0.9A

  


Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=1.0A 

 


Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=1.1A

  


Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=1.2A 

 


Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=1.3A

  


Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=1.4A 

 


Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=1.5A 

 


Vin=200Vac ； Vout = 19V ； Iout=1.6A 

 

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song_du
LV.4
18
2012-06-26 18:35
@mko145
没有人来评论~不知道大家是同意我的分析，还是对这个话题不感兴趣。

透彻 我这个菜鸟都看懂了点~~~

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zvszcs
LV.12
19
2012-06-26 18:37
@mko145
先帖上些波形图~ 如果用看图软件（例如ACDsee）一张张翻看，会很有趣~ Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=0.1A [图片] Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=0.2A [图片]  Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=0.3A [图片] Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=0.4A[图片]  Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=0.5A [图片] Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=0.6A [图片] Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=0.7A [图片] Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=0.8A [图片] Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=0.9A[图片]  Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=1.0A [图片] Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=1.1A[图片]  Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=1.2A [图片] Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=1.3A[图片]  Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=1.4A [图片] Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=1.5A [图片] Vin=200Vac；Vout=19V；Iout=1.6A [图片] 
图形比我的漂亮多了，示波器真清晰
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mko145
LV.8
20
2012-06-26 20:06
@zvszcs
图形比我的漂亮多了，示波器真清晰
Z 版过奖，是老板的示波器好 ~
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mko145
LV.8
21
2012-06-26 21:04
言归正传，分析一个实际的 QR反激案例。看看相比于固定频率的普通电源，QR的效率能提高多少 ~
输入电压：90 - 264Vac； 输出低压： 19V ； 输出功率： 24W
输入端的电解电容 Cin用47uF/400V。根据下面公式，可以算出最低 DC电压 Vin(min) = 88V

Dmax取0.46； 则反射电压
 
大家都知道，要想发挥QR的优势，Vor的取值越大越好。然而，没有PFC 情况下的全电压输入电源，由于低压比较低，Vor不可能太高。所以也用不着800V的MOS管。当然，如果舍得给钱的话，加大输入电容，则可以提高Vin。Vor也能相应提高。假设用68uF/400V的电容，Vin (min) = 102V ;  Dmax 取0.48 的话，Vor = 94V  会高一些


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mko145
LV.8
22
2012-06-26 22:19
  
CCM模式，MOS管开通时候Vds=Vin+Vor； DCM模式，MOS管有可能在A、B或C等任何时刻开通。让我们假设是B点开通（损耗最大）。B点的电压虽然比Vin+Vor已经有所下降，如果把Ctot上的能量在之前衰减过程中的损耗也一起算进来的话，那么一个周期内Ctot上的能量损耗也还是
 
QR模式下，假设MOS管在第一个谷底处开通。考虑到谐振的振幅已有所减小，设其幅度约为 Vor-5V。则MOS管开通时 Ctot上的能量损耗为
 
 Ctot上的能量损耗也就是MOS管的开通损耗。显然，QR模式的MOS管开通损耗要小 ~
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javike
23
2012-06-26 22:23
顶起！搬个板凳来听课。。。。
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lvyuanpu
LV.5
24
2012-06-26 22:34
@mko145
言归正传，分析一个实际的QR反激案例。看看相比于固定频率的普通电源，QR的效率能提高多少~输入电压：90-264Vac； 输出低压：19V；输出功率：24W输入端的电解电容Cin用47uF/400V。根据下面公式，可以算出最低DC电压Vin(min)=88V[图片]Dmax取0.46；则反射电压[图片] 大家都知道，要想发挥QR的优势，Vor的取值越大越好。然而，没有PFC情况下的全电压输入电源，由于低压比较低，Vor不可能太高。所以也用不着800V的MOS管。当然，如果舍得给钱的话，加大输入电容，则可以提高Vin。Vor也能相应提高。假设用68uF/400V的电容，Vin(min)=102V; Dmax取0.48的话，Vor=94V 会高一些

请教楼主，为什么Vor越大越好，额。

还有第一张和第二章图片是否是轻载跳频？

第三章和第四章也有点轻载跳频的感觉。。

请赐教。

 

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mko145
LV.8
25
2012-06-26 22:55
@lvyuanpu
请教楼主，为什么Vor越大越好，额。还有第一张和第二章图片是否是轻载跳频？第三章和第四章也有点轻载跳频的感觉。。请赐教。 

由于谐振是以Vin为中轴，以Vor为初始振幅，不断衰减的振荡。

  

Vor越大，则谷底（valley) 的电压Vds就越低。MOS管开通时刻，Ctot上的能量就越小，损耗也就越小 ~ Ctot上的能量大约为

 

轻载时的频率会降低，这是OB2361 IC的特性，以此来减小轻载时的开关损耗 ~ 不算是跳频吧

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lvyuanpu
LV.5
26
2012-06-27 09:04
@mko145
由于谐振是以Vin为中轴，以Vor为初始振幅，不断衰减的振荡。[图片]  Vor越大，则谷底（valley)的电压Vds就越低。MOS管开通时刻，Ctot上的能量就越小，损耗也就越小~Ctot上的能量大约为[图片] 轻载时的频率会降低，这是OB2361IC的特性，以此来减小轻载时的开关损耗~不算是跳频吧

楼主，谢谢回复。

可能我措词有问题，呵呵。我说的跳频就是您说的那个意思，不好意思。

关于Vor还是想请教一下。Vor高的话似乎是能让开通损耗降低，但是相同使VDS上升，造成了关断损耗的增加。额。

而且VOR设计比较大的话，必然要求匝比的上升，变压器的铜损似乎也会有些提高；VOR的提高似乎也迫使占空比的增加，这也会导致损耗以及环路的潜在问题。

我认为不能一味的追求高Vor，要综合考虑。

不知道楼主在设计时候是否出现这些问题，以上只是小弟的猜测，有错误的地方请不吝指教。谢谢。

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jinfengszh
LV.5
27
2012-06-27 09:06
@javike
顶起！搬个板凳来听课。。。。[图片]

精彩

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tony_dai
LV.8
28
2012-06-27 09:58
@javike
顶起！搬个板凳来听课。。。。[图片]
听课喔...
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mko145
LV.8
29
2012-06-27 10:06
@lvyuanpu
楼主，谢谢回复。可能我措词有问题，呵呵。我说的跳频就是您说的那个意思，不好意思。关于Vor还是想请教一下。Vor高的话似乎是能让开通损耗降低，但是相同使VDS上升，造成了关断损耗的增加。额。而且VOR设计比较大的话，必然要求匝比的上升，变压器的铜损似乎也会有些提高；VOR的提高似乎也迫使占空比的增加，这也会导致损耗以及环路的潜在问题。我认为不能一味的追求高Vor，要综合考虑。不知道楼主在设计时候是否出现这些问题，以上只是小弟的猜测，有错误的地方请不吝指教。谢谢。

指教谈不上，大家一起讨论 ~  首先觉的你的问题提的非常好，我之前没有想过这个问题。

1. 关于MOS管的关断损耗（crossover loss），之前有网友 cheng111  总结过。请参看 MOS管的开关损耗-反激式分析   

 

 

对于上面的公式，我有不同的看法 。 个人以为公式中的电压应该是电源电压Vin，而不是Vds。

   

理由是 -- 反射电压Vor的出现，是在初级电流Ip停止、次级的整流管导通后，变压器上的能量在次级绕组中释放时候才产生的。换句话说 --- 初次级绕组上的电流不能同时存在 ~

2.提高Vor，势必要提高匝数比。但是，是以减小次级绕组来实现的。初级绕组的计算另有公式，相信你是很熟的 ~ 


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mko145
LV.8
30
2012-06-27 11:08
@tony_dai
听课喔...[图片]
楼上各位说笑了 ~ 不是什么讲课。只因前几天Z版发了个帖子 --- 讨论反激电源的效率极限， 讲到QR、SR和双管反激等提高效率的方法。于是思考了一下这几种方法到底能提高多少效率，哪一种方法更合算。将自己的分析提出来和大家讨论一下，欢迎拍砖 ~
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mko145
LV.8
31
2012-06-27 11:12
接下来要搞清楚Ctot到底是多少， 前面帖子里讲了- 这个Ctot包括MOS管的输出电容Coss、变压器的寄生电容、线路的分布电容以及次级反射到初级的电容，也就是Vds两端看到的所有电容的总和。其中输出电容Coss可以在datasheet中查到，但是通常只给出了 25V时候的数值。与实际 MOS管开关时的300~400V，还是有不少出入。
网上看到 樊永隆先生的“确定准谐振反激式变换器主要设计参数的实用方法”一文中提到 “ 用25V的数值来计算，不会有什么影响 ” 的说法，个人以为不太靠谱。
下面是（本案例中使用的）MOS管 4N60的datasheet 中的Coss参数，及随电压的变化曲线 ~

 

 
由上图可以看出Coss的数值，在电压上升到25V以后继续减小，到 300~400V时有可能少了一半。估计大概有50~60pF的样子吧。查看了一些大电流的MOS管，其Coss随电压的变化趋势都差不多是这样 ~

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