本文是一篇工程硕士论文，本课题设计时主要关注点为效率的提高，对系统的EMI问题以及轻载时候的音频噪声问题关注度不够，系统工作时候存在出现对外电磁辐射和轻载时候的啸叫问题。
1 绪论
1.1 研究背景和意义
AC-DC变换器的主要功能是将交流电安全稳定地转换成直流电压。早期AC-DC变换器通常采用线性稳压器的方案[1]，通过线性反馈网络来达到输出电压稳定的目的，但该方案不可避免地存在体积大、效率低的缺点，当输出电压与输入电压压差大的时候系统效率下降尤其明显。开关电源的方案起始于20世纪50年代，并在70年代后期逐步成为AC-DC变换器的主流方案，其具有因输入范围广、稳定性高、体积小等诸多优点[2]。AC-DC变换器的结构如图1.1所示。
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AC-DC变换器的结构包含功率级电路和控制级电路两部分。其中功率级电路主要包含EMI（Electro Magnetic Interference，电磁干扰）滤波器、整流器、滤波电路以及DC-DC变换器，当输入功率大于75W的时候，功率级通常还需要增加PFC电路（Power Factor Correction，功率因素矫正）[3]；控制级电路主要包含反馈电路和电源管理芯片。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 学术界研究现状
反激变换器作为中小功率AC-DC变换器的首选拓扑在便携性电子设备的充电器领域受到了广泛的关注以及并了广泛应用，学术界关于反激变换器的研究也颇为丰富。自1992年以来，学术界针对有源箝位反激变换器的拓扑结构、工作原理、控制模式、效率优化等方面进行深刻的研究与分析。
1992年，K. Yoshida等人首次提出谐振的反激变换器，该团队提出利用箝位支路实现副边二极管的零电流关断以及箝位管的低电流关断，这是有源箝位反激变换器的前身[9]。1996年，R. Watson等人分析了工作在DCM（Discontinuous Conduction Mode，断续导通模式）模式下的谐振反激变换器的基本原理及其应用于大功率场景下的优势[8]。2005年，国立云林科技大学的Bor-Ren Lin等人对有源箝位反激变换器的漏感能量的回收原理以及变换器控制电路的具体实现进行了详细的分析并设计了一款120W的电路模型验证了有源箝位反激变换器的优点[9]。2011年，黄秀成详细分析了有源箝位反激变换器的单向励磁电感电流和双向励磁电感电流两种工作模式，提出了一种非互补控制的有源箝位反激变换器[11]。
此后，对有源箝位反激变换器的研究逐步进入一个新阶段，研究不再局限于其工作原理和工作模式的分析，转而偏向于系统的高频化与高效化。
2012年Thomas LaBella等人对有源箝位反激变换器的死区时间内的开关损耗来源进行了详细的分析，设计了一款基于氮化镓功率管的有源箝位反激变换器样机，该样机能够工作在1MHz，验证了该团队的分析也开启了有源箝位反激变换器的高频化研究的热潮[12]。在2016-2018年间，来自Navitas公司的薛玲霄团队，提出了一种新型的基于副边谐振的有源箝位反激变换器，并基于氮化镓功率管开发了数款样机，其研究加速了有源箝位反激变换器的高频化进程[13][14][15]。
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2 AC-DC变换器研究
2.1 反激变换器结构与原理
图2.1为反激变换器的拓扑结构示意图，根据箝位方式的不同，反激变换器有稳压管箝位、RCD箝位、LCD箝位和有源箝位等多种箝位方案[11]，其中RCD箝位与有源箝位是目前市场上使用最多的两种箝位方案。
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2.1.1 RCD反激变换器
在小于100W的功率范围内，RCD变换器得到了广泛的应用。图2.2所示为RCD反激变换器的拓扑结构：变压器T1、功率管Qm、二极管DO、输出电容CO与负载Ro一起组成单管反激变换器的主体，电阻R、电容C与二极管D构成的吸收支路与单管反激变换器一起构成RCD反激变换器。其中T1包含励磁电感LM、漏感LK与原副边匝比为NP:NS的理想变压器模型，Qm为包含寄生二极管和输出电容模型的功率管。因为输入电压Vin为经过整流和滤波之后的相对稳定直流电压，对后续DC-DC部分的原理分析没有影响，后文分析时将其看作直流。
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2.2 隔离反馈电路
为了得到稳定的输出电压，AC-DC变换器通常需要使用闭环控制。对于隔离式AC-DC变换器，由于原边与副边之间存在电气隔离，所以副边信息要传递回原边构成闭环系统需要隔离反馈电路。常见的隔离反馈电路有辅助绕组隔离反馈、电感隔离反馈、电容隔离反馈以及光耦隔离反馈[2][29]。
辅助绕组反馈的系统应用图如2.10所示，其利用的基本原理是变压器各个绕组上电压呈一定比例关系。辅助绕组反馈通常结合原边采样技术一起使用，只需要在辅助绕组上设定电阻分压器将反馈电压设置在芯片的输入电压范围内，在合理的开关时序下进行采样就能间接地获取输出电压信息。辅助绕组反馈是一种低成本、高集成度的隔离反馈方式，但是采用辅助绕组反馈方式的系统输出电压精度低，环路响应速度慢。由于以上特点，辅助绕组反馈广泛应用于小功率的DCM模式的反激变换器中。
电感隔离反馈是一种基于电磁感应原理的隔离方式，通过原副边互感线圈之间的耦合将采样到的输出电压信息传递到原边。电感隔离反馈采样精度高、传输速度快，结合特殊的封装技术能够进一步提高系统的集成度[34]，该技术被PI公司应用到多项产品中。由于互感线圈易受到外部电磁环境的干扰，所以需要为电感隔离反馈方案针对性地设计抗干扰方案。
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3 有源箝位反激变换器系统设计.................. 25
3.1 系统定义 ..................................... 25
3.2 功率级电路设计 ............................. 26
4 有源箝位反激变换器控制芯片设计.............................. 42
4.1 芯片功能框图 ................................. 42
4.2 PIN脚描述 ........................ 43
5 系统仿真与版图设计.................................... 62
5.1 系统仿真 ........................ 62
5.1.1 仿真环境搭建................................. 62
5.1.2 系统稳定性仿真...................... 63
5 系统仿真与版图设计
5.1 系统仿真
5.1.1 仿真环境搭建
图5.1为基于Cadence搭建的源箝位反激变换器系统仿真测试电路，系统架构主要包含有源箝位反激变换器的功率级电路、控制芯片与外围辅助器件，为尽可能模拟实际环境，所搭建的仿真环境考虑了变压器的寄生，输出电容的寄生、PCB的寄生以及驱动电路的延时等非理想因素。
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所搭建仿真环境中功率级电路的参数与3.2小节中功率级参数设计的结果一致，主功率管与箝位管采用英飞凌的型号为IPN60R360PFD7S的CoolMOS，副边整流二极管采用Onsemi的型号为FSV10120V的肖特基二极管；外围辅助器件包含高压检测电路、三引脚可调节分流稳压器ATL431、光耦模型以及半桥驱动模块，其中高压检测电路主体为英飞凌的型号为BSS126的600V耐压耗尽管，光耦模型为理想模型，其CTR（Current Transfer Ratio，电流传输比）设置为0.2，半桥驱动模块采用理想模型，传输延时设置为100ns，除光耦与半桥驱动以外，其余外围辅助器件均采用对应公司提供的Spice仿真文件进行模拟仿真。
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6 总结与展望
在中小功率AC-DC适配器应用场景下，反激变换器得到了广泛的应用，然而传统反激变换器的工作原理限制了其在更高频的应用，有源箝位反激变换器结合软开关技术能够更好地符合当前适配器高频化、高效化、小型化的发展趋势。
本文首先介绍了有源箝位反激变换器的学术界和产业界研究现状；接着从工作原理上对比分析了有源箝位反激变换器相比于传统反激变换器的优势所在，分析了各类隔离反馈电路、环路控制模式、脉冲调制方式的特点与优缺点；针对有源箝位反激变换器的产品化障碍问题，提出使用性价比更高的CoolMOS作为系统功率管进行相关研究，并设计了基于CoolMOS的65W有源箝位反激变换器；针对有源箝位反激变换器多点效率、轻载效率的提高，设计了多模式系统控制方案，对系统模式切换的稳定性加强设计；为了提高系统效率，针对箝位管设计了零电压开通方案，针对主功率管设计了自适应死区时间控制方案并进行了控制芯片与具体电路的设计，核心电路主要包含模式控制电路与自适应死区时间调整电路两部分；最后对控制芯片进行了系统仿真与后仿验证，验证了所提出了系统控制方案与死区控制方案的正确性，所搭建系统满载效率为94.41％、峰值效率为94.49％、10％负载效率为91.29％，超过CoC V5六级能效标准规定，验证了本文设计方案的有效性。
参考文献（略）