开关电源设计之QR准谐振工作原理及其特点

在腾迎开关电源设计培训中着重讲到反激式开关电源的QR模式,具体工作原理与优缺点如下:

一、核心定义

QR 准谐振专用于反激 Flyback 拓扑，是谷底软开关（Valley Switching） 变频控制方案；

1.CCM/DCM/BCM 是电感电流连续性分类；QR 是开关开通时刻的谐振软开关技术，QR 只能工作在 BCM/DCM（电流每个周期归零），CCM 无法实现谐振谷底开通。

2.核心原理：利用变压器漏感 Lk + MOS 寄生输出电容 Coss 构成 LC 谐振回路，在漏源电压 VDS​ 振荡到谷底最低点时开通 MOS，实现近似 ZVS 零电压开通，大幅削减开通损耗。

二、完整 4 个工作周期阶段

1．MOS 导通储能阶段

MOS 打开，母线电压加在变压器原边，原边电流线性上升，电能转为磁能存入变压器；副边二极管反向截止，无能量输出。

2.MOS 关断、副边去磁阶段

MOS 关断，变压器磁势不能突变，副边二极管导通，磁能向负载释放；VDS​ 抬升至 Vin​+Vor​（母线电压 + 反射电压）。

3.完全去磁，LC 自由谐振阶段

副边电流降到 0、二极管截止；此时漏感 Lk​ 与 MOS 结电容 Coss​ 形成衰减正弦振荡，VDS​ 在峰值与谷底来回震荡，波形呈波浪振铃。

谐振周期公式：

4.谷底开通（QR 核心）

控制器通过ZCD 零电流检测引脚捕捉谐振谷底，不立即开通，等待电压跌到最低谷瞬间再打开 MOS；此时 VDS​ 接近 0，开通时电压电流交叠极小，开关损耗大幅降低。芯片可选择第一谷底 / 第二谷底 / 多谷底开通：轻载选多谷底降频，避免频率过高损耗；重载优先第一谷底提升效率。

三、QR 与传统定频 DCM / CCM 对比

特性	QR 准谐振	定频 DCM 硬开关	CCM 连续导通
开关特性	谷底 ZVS 软开通，损耗低	电压峰值硬开通，损耗大	硬开关，开通关断损耗均高
频率特性	变频：轻载频率升高，重载降低	固定频率	固定频率
电流波形	峰值电流大，同 DCM	峰值电流大	电流连续，峰值 / 有效值小
EMI 表现	dV/dt 平缓，EMI 低，易过认证	尖峰大，EMI 差	二极管反向恢复噪声大
效率区间	中轻载效率优势极强（适配器 / 快充首选）	轻载效率差	重载效率占优
适用功率	30~150W（手机 / 笔记本快充、LED 驱动）	小功率廉价电源	150W 以上大功率电源

四、QR 模式优点

1.开关损耗大幅降低：开通时 Vds 接近 0，开通损耗降低 60% 以上，温升更低，整机能效高（满足六级能效）。

2.EMI 性能优异：无高压硬开通尖峰，电压变化率 dV/dt 更小，辐射 / 传导干扰更容易整改。

3.MOS 应力更低：谷底开通避免电容瞬间大电流放电，减少 MOS 发热与老化。

待机功耗低：轻载自动升频，配合谷底导通，待机损耗远优于定频 DCM。

五、QR 模式缺点

1.变频工作，环路补偿复杂：负载、输入电压变化时频率大范围漂移，补偿电路设计难度高于定频方案。

2.轻载音频噪声风险：极轻载时芯片会跳至第二 / 第三谷底降频，频率落入 20kHz 以下人耳频段，变压器啸叫。解决：芯片内置谷底锁定 Valley Lockout、频率钳位，限制最低工作频率。

3.峰值电流大：同功率下原边电流峰值、有效值高于 CCM，变压器绕组、MOS、二极管铜损偏大，大功率（>150W）不推荐。

4.漏感敏感：谐振由漏感决定，变压器漏感离散会导致谷底位置偏移，生产一致性要求高

六、关键技术

1.谷底锁定 Valley Lockout

轻载时强制锁定在第 2/3 谷底，降低开关频率，防止频率过高损耗激增，同时避开音频噪声区间。

2.频率钳位 Frequency Clamp

设置最高工作频率上限，满载 / 高压输入时限制频率，避免超高频带来磁芯损耗。

3.Burst 间歇模式

极轻载（待机）时 QR 降频仍有噪声，自动进入间歇打嗝，进一步降低待机功耗、消除啸叫。

4.RCD 吸收电路

关断尖峰抑制，不影响谐振谷底波形，是 QR 反激必备外围

七.典型应用场景

1.手机 / 笔记本快充适配器（20W~90W）

2.LED 驱动电源、电视副电源、机顶盒电源

3.小功率工业开关电源（≤120W）

4.要求高能效、低 EMI 的消费类电源

审核编辑 黄宇