在當今的電子設備中，電源管理單元(SMPS)扮演著至關重要的角色，它們負責將輸入電壓轉(zhuǎn)換為設備所需的穩(wěn)定電壓。隨著能效標準和環(huán)保要求的日益嚴格，電源設計工程師面臨著提高效率、減少待機功耗和降低電磁干擾(EMI)的多重挑戰(zhàn)。準諧振(Quasi-Resonant, QR)技術作為一種創(chuàng)新的開關電源設計方法，通過優(yōu)化開關過程，顯著提升了電源的性能。本文將深入探討QR技術的原理、工作模式、應用場景以及設計中的關鍵考量。

一、QR技術的核心原理

1.1 基本概念

QR技術是一種軟開關方法，它利用LC諧振電路在開關管(如MOSFET)關斷后產(chǎn)生的衰減振蕩波形，使開關管在電壓或電流的谷底(即波形的最低點)導通。這種“谷底導通”策略顯著降低了開關損耗，因為此時開關管兩端的電壓最低，從而減少了開通時的能量損耗。QR技術通過控制開關時機，實現(xiàn)了零電壓開關(ZVS)或零電流開關(ZCS)，這被稱為軟開關，與傳統(tǒng)的硬開關相比，能有效減少開關過程中的能量損失和EMI干擾。

1.2 工作模式詳解

QR技術的工作模式主要分為三種：零電壓開關準諧振型變換電路(ZVS-QRCs)、零電流開關準諧振型變換電路(ZCS-QRCs)和諧振直流環(huán)(Resonant DC Link)。在反激式變換器中，ZVS-QRCs是最常見的應用形式。當開關管關斷時，變壓器漏感與開關管寄生電容形成LC諧振電路，產(chǎn)生衰減振蕩的電壓波形?？刂破魍ㄟ^檢測這個波形，在電壓谷底(如第二或第三個谷底)開啟開關管，此時開關管兩端電壓接近零，從而實現(xiàn)ZVS。

1.3 與CCM/DCM/BCM的關系

QR技術可以與連續(xù)導通模式(CCM)、斷續(xù)導通模式(DCM)或臨界導通模式(BCM)結合使用。CCM、DCM和BCM是從電感電流連續(xù)性的角度定義的工作模式，而QR是從諧振電壓行為角度定義的優(yōu)化方式。QR本質(zhì)上屬于BCM的優(yōu)化，通過控制導通時機改善效率。例如，在QR模式下，開關頻率可以根據(jù)負載需求動態(tài)調(diào)整，輕載時頻率降低，重載時頻率升高，這種靈活性有助于提高輕載效率。

二、QR技術的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

2.1 顯著優(yōu)勢

QR技術的主要優(yōu)勢在于其高效率。通過減少開關損耗，QR電源在寬輸入電壓范圍內(nèi)都能保持較高的能效，這對于適配器和電源模塊尤為重要。此外，QR技術降低了EMI，因為開關過程更加平滑，減少了電壓和電流的快速變化。QR還支持頻率調(diào)制(PFM)，允許開關頻率隨負載變化，進一步優(yōu)化能效。

2.2 設計挑戰(zhàn)

然而，QR技術也帶來了設計上的挑戰(zhàn)。在寬輸入電壓應用中，QR控制器需要處理輸入電壓變化導致的頻率變動。例如，輸入電壓升高時，開關頻率增加，初級峰值電流必須相應減小以維持恒定的輸出功率。這可能導致過載保護問題，因為QR控制器通常只有過流保護特性，無法直接補償輸入電壓變化的影響。此外，QR控制器的設計需要精確的電壓前饋補償，以確保在不同輸入電壓下都能穩(wěn)定工作。

三、QR技術的應用場景

3.1 反激式變換器

QR技術廣泛應用于反激式變換器，這是因為它能夠有效利用變壓器的漏感和開關管的寄生電容實現(xiàn)諧振。在反激式QR變換器中，初級側磁能量在開關周期內(nèi)以適當?shù)姆绞睫D(zhuǎn)移至次級側，避免了反激式控制中常見的高開關損耗。QR反激式變換器特別適合中小功率應用，如手機充電器和LED驅(qū)動電源。

3.2 GaN FET的應用

隨著氮化鎵(GaN)FET技術的發(fā)展，QR技術得到了進一步的優(yōu)化。GaN FET具有高電子遷移率、高擊穿電壓和低導通損耗等優(yōu)點，使其在高頻率和高功率密度的應用場合表現(xiàn)出色。在QR反激式穩(wěn)壓器中，GaN FET的快速開關特性增強了能量傳輸效率，使得在高頻操作下實現(xiàn)更為有效的能量傳輸。GaN FET的應用顯著提高了QR電源的能效和功率密度。

3.3 適配器與電源模塊

QR技術是適配器和電源模塊的理想選擇，因為它能夠滿足嚴格的能效標準和環(huán)保要求。QR適配器在設計時需要考慮開關頻率的選擇、控制方案的設計、輸出電壓的穩(wěn)定性以及長期可靠性。通過優(yōu)化這些因素，QR適配器可以實現(xiàn)更高的能效、更低的待機功耗和更小的體積。

四、QR技術的未來展望

4.1 能效標準的提升

隨著能效標準的不斷提升，QR技術將繼續(xù)優(yōu)化以滿足更高的能效要求。例如，歐盟的ErP指令和美國的DoE標準對電源的能效提出了嚴格的要求，QR技術通過減少開關損耗和優(yōu)化頻率調(diào)制，能夠輕松滿足這些標準。

4.2 集成化與智能化

未來，QR技術將更加集成化和智能化。集成化的QR控制器將減少外部元件的數(shù)量，降低設計復雜性和成本。智能化的QR電源將能夠?qū)崟r監(jiān)測負載和輸入電壓變化，動態(tài)調(diào)整工作參數(shù)，以實現(xiàn)最優(yōu)的能效和性能。

4.3 新興材料的應用

新興材料如GaN和碳化硅(SiC)將進一步推動QR技術的發(fā)展。這些材料具有優(yōu)異的物理特性，能夠支持更高的開關頻率和更高的功率密度，使得QR電源在更廣泛的領域得到應用。

結論

QR技術通過優(yōu)化開關過程，顯著提升了電源的能效和性能，減少了EMI和待機功耗。盡管在設計上存在挑戰(zhàn)，但隨著技術的不斷進步和新興材料的應用，QR技術將繼續(xù)在電源管理領域發(fā)揮重要作用，滿足未來電子設備對高效、環(huán)保和緊湊型電源的需求。