原边反馈技术解析：工作原理、优势和限制分析
发布时间：2021-10-14
来源：罗姆半导体社区 (https://rohm.eefocus.com)
原边反馈（Primary-Side Regulation，简称PSR）概述
● 在低功率消费电子应用中，反激式电源被广泛采用，因为它非常适合小功率范围，并且能够提供隔离效果。
● 当需要检测输出时，传统方法是在隔离之后使用隔离元件如光耦进行采样，这会增加电源的成本，而光耦的使用寿命也可能成为限制电源寿命的瓶颈。基于这种情况，我们发展出了原边反馈技术。
原边反馈不直接从输出进行采样，而是通过对初级线圈的采样来推断次级线圈以及进一步推算输出的情况。
由于一些信息难以直接从初级线圈获得，通常会添加一个辅助线圈，该辅助线圈与初级线圈共地并与次级线圈隔离。 辅助线圈的功能 ● 添加辅助线圈会增加成本和复杂性，因此最好能够使辅助线圈承担更多的任务。通常，辅助线圈同时具备以下两个作用：
反映初级线圈和次级线圈的状况。通过电阻分压，辅助线圈将原边和副边的电压情况反映在VSES点上。此时，辅助线圈与原边/副边形成一个变压器结构。
形成反激结构，为集成电路（IC）供电。由于反激结构本身不能提供恒定的电压，因此需要添加限压二极管。
不使用辅助线圈的可行性探讨
● 如果没有要求辅助线圈供电，那么是否可以采用其他检测方法来实现原边反馈，例如在初级线圈上进行检测？
● 从理论上讲，这是可行的，思路如下：
在初级线圈上并联一个高阻支路，对初级线圈进行采样，并同时提供TOFF期间初级线圈的回路。
考虑到检测电压必须为正值，因此存在两种基本形式，如图所示：
输出信息的检测方法
● 原边反馈无法获取全部的输出信息，但可以获得相当多的输出信息。
无法直接获取输出电流信息，但可以获取初级电流信息。
无法直接获取输出电压信息，但可以通过辅助绕组获取输出电压信息。
可检测性
● 由于电感两端电压较高，检测IL和VD会变得困难，可以通过ISES和VSES进行检测；
● 考虑到隔离要求，次级电流和输出电压无法直接检测，只能通过其他值进行计算。
PSR输出电压计算
● MOS管关断后，储存在变压器中的能量会通过次级线圈和辅助线圈释放，次级线圈和辅助线圈形成一个变压器，此时VSES上的电压为：
● VD与次级线圈电流相关，电流越小，VD越小，当电流为0时，VD等于0。
膝电压的定义
● 当次级二极管的电流降为0时，变压器开始退磁。此时，VD比VIN高一个反射电压。初级电感和寄生电容形成的LC电路开始振荡，初级电感上的电压以正弦方式逐渐下降，从VD-VIN开始。
● 因此，在VSES上观察到的电压呈现出一个膝盖状的形态，因此将退磁点的电压称为膝电压。
由于正弦波起始点处的斜率为-1，膝电压是指电压斜率从负载功耗引起的斜率变化到-1时刻的电压。
PSR输出电流计算
● MOS管关断后，储存在变压器中的能量会通过次级和辅助线圈释放。此时，次级的平均电流为：
● 无法直接测量ISND_PK，只能通过近似换算得到ISES_PK：
● TOFF的测量也依赖于膝电压的时刻，但需要的不是电压值，而是膝点的时刻。
电流和电压检测的共同点
● 共同之处在于都需要检测到膝点。
● 对于电流来说，检测到膝点，然后根据膝点和开关管断开的时刻计算TOFF，并加上ISES的电流，即可计算平均输出电流。
● 对于电压来说，需要检测到膝点的电压。具体方法是检测到膝点，然后观察当前时刻VSES上的电压，通过匝比计算出当前时刻的输出电压。
膝点检测算法
● 有两种检测方法：前向检测和后向检测。
前向检测利用延迟或斜率变化的方法找到膝点的时刻。
后向检测则利用膝点后谐振频率固定的特点，从过零点反推膝点的位置。
各方法对比
● 延迟法：从TOFF开始延迟一段时间，检测VSES。
这种方法的精确度非常低，因为TOFF的时间变化很大。 ● 斜率法：检测VSES的斜率，通过波形分析算法找到膝点。
只有在TOFF区间的斜率和TDEAD区间的斜率存在明显差异时才适用，并且在TDEAD区间，振荡呈正弦曲线，不存在斜率转折点，所以需要依靠算法来推算膝点。 ● 谐振反推法：膝点后，初级电感的谐振会传到辅助线圈，检测辅助线圈的过零点可以得知谐振频率，通过减去1/4周期的时间，即可得到膝点。
这种方法在恒流模式下相对简单，但在恒压模式下需要将电压检测转换为时间检测。 实现恒压的谐振反推法 ● 在谐振后，检测次级线圈的过零点可以得知谐振周期。因此，当输出电压恰好等于参考电压时，VSES和VREF的交点到过零点的时间TFB应该恰好等于1/4谐振周期TR。如果TFB大于TR/4，则表示输出电压较低，导致VSES和VREF的交点提前；反之，如果TFB小于TR/4，则表示输出电压较高，导致VSES和VREF的交点延迟。
VZC表示过零点阈值，通常不为0V，而是一个非常小的电压，比如0.125V。
斜率法和谐振反推法的对比
● 斜率法和谐振反推法是互补的优缺点：
如果TOFF和TDEAD期间的斜率差别越大，就更适合使用斜率法；如果斜率差别越小，则更适合使用谐振反推法。
实际上，TOFF期间的斜率通常很小，噪声对VSES和VREF交叉点的检测有很大影响。如果采用谐振反推法，必须有某种消除噪声的方法。 ● 使用谐振反推法时需要注意的一点是，由于膝点前后斜率差别较大，TFB偏大或偏小时，误差时间TERR = TR/4 - TFB在大于0和小于0时具有完全不同的环路增益。
斜率越低，输出电压变化对时间变化的影响越大，环路增益越高。换句话说，当输出电压小于基准电压时，环路增益较高；当输出电压大于基准电压时，环路增益较低。 将PSR技术用于非隔离拓扑
● 通常情况下，非隔离拓扑可以直接检测输出VO，不需要使用复杂的PSR技术先检测VSND然后计算VO，但有一种例外情况：即需要一个集成电路同时支持隔离和非隔离。
PSR固有的问题
● 检测的时效性限制：每个切换周期只有一次机会正确地检测输出电压，无法像其他非隔离型拓扑那样实时地进行检测。而且，输出电压的检测还依赖于变压器的退磁，直到变压器的退磁点到来之前，任何输出端的变化都无法被准确检测。
● 线缆压降：所获得的电压仅为电容器两端的电压，而不是负载两端的电压。当次级存在明显的寄生电阻时，检测到的电压将明显偏低。
在退磁点时，二极管上的电流为0，电容器两端的电压等于副边的电压。然而，通过寄生电阻的电流不为0，因此负载端的电压要小于检测到的电压。
负载突变的问题
● 检测的时效性主要在负载突变时表现出来，例如热插拔操作。
在充电器和LED领域，热插拔是必须支持的，并且许多规范要求支持热插拔功能。
热插拔包括从空载到满载和从满载到空载两种极端情况。
实际情况下，并不总是满载状态，但如果能支持从满载到空载的切换，必然也可以支持其他切换情况。 ● 从空载到满载的切换会导致输出电压下降，从满载到空载的切换会导致输出电压过冲。为了避免这两种情况，必须使用非线性控制策略。IC检测到热插拔后，应立即调整控制策略。
热拔
● 如果在TOFF区间进行热插拔，相当于次级负载阻抗突然增加，此时将出现微小的电压突变，随后所有能量将聚集在电容器上，导致输出电压升高。
● 如果在非TOFF区间进行热插拔，则看不到小的电压突变，最终结果与之前没有区别。
假负载
● 如果无法保证每次都准确检测和处理热插拔，就必须在输出上添加假负载或稳压管，使其能够承担泄放功耗。
假负载通常使用电阻，选取电阻值时需谨慎，过大会导致泄放效果不佳，而过小则会产生较大功耗。
关键词：罗姆电源管理
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原边反馈不直接从输出进行采样，而是通过对初级线圈的采样来推断次级线圈以及进一步推算输出的情况。 由于一些信息难以直接从初级线圈获得，通常会添加一个辅助线圈，该辅助线圈与初级线圈共地并与次级线圈隔离。
隔离式DC/DC转换器是众多应用所必需的组件，这些应用包括了电能计量、PLC、IGBT驱动器电源、工业现场总线和工业自动化等。此类转换器常用于提供电流隔离、改善安全性及提高抗噪声能力。而且，它们还可用来生成包括双极性电源轨在内的多个输出电压轨。
