反激变换器拓扑是低功率隔离电源中最常用的拓扑之一，其优势在于将升降压电感拆分为变压器的两个绕组，在实现隔离的同时获得灵活的电压与电流比。因此，反激变换器所需元器件较少，并能在较宽工作范围内保持可靠的性能。
然而，变压器漏感中储存的能量会产生明显的电压尖峰，这是反激变换器设计中的常见挑战。一旦尖峰电压超过器件的耐压额定值，就可能损坏功率开关。电压尖峰还会带来另一个问题则是电磁干扰 (EMI)，从而产生高频谐波。
采用无源电阻-电容-二极管 (RCD) 缓冲电路来吸收漏感能量、从而减轻电压尖峰是常见的传统解决方案。图 1 展示了这种传统的反激电路。
图1：传统反激电路
但RCD缓冲电路的局限在于，其需要消耗励磁能量和漏感能量，因而会降低效率并带来散热问题。随着功率的增大，缓冲二极管的反向恢复问题也更加难以处理，因而降低了缓冲电路的效果，有时甚至会加剧变换器振荡。因此，为了提高反激变换器的可靠性、降低 EMI 并提升效率，需要寻找更佳的电压尖峰抑制方案。
理论上的最佳方案是储存全部漏感能量，并在没有损耗的情况下将能量循环送回系统。有源钳位反激 (ACF) 电路可以实现这一目标，即使用额外的有源钳位开关 (QC) 来代替缓冲电路中的二极管（见图 2）。
图2：ACF 电路
通过适当控制QC的导通和关断时序，缓冲电容可与变压器电感产生受控振荡，从而消除电压尖峰，漏感能量也能通过振荡传递至输出端。
尽管有源钳位反激 (ACF) 电路具有上述优势，市场上也已有多种 ACF 解决方案，但由于以下三个主要局限，ACF 控制器仍未能充分取代传统反激变换器，尤其是在高压 AC/DC 应用中：
主功率器件成本增加：ACF 电路中增加的钳位开关(QC)需要承受功率在其中的完整往复流动，因此其电压和导通电阻规格与主开关(QP)相似，有时甚至要求更高。与传统反激变换器相比，这会使主功率器件的成本翻倍。
ACF 控制器成本增加：由于需要额外的上管驱动器、更复杂的控制方案及更大的 IC 封装，ACF 控制器的成本明显高于普通反激控制器。
设计变更成本和风险较高：采用 ACF 电路需要全面调整控制、硬件和调试逻辑。考虑到较高的成本和设计风险，愿意从传统反激方案转向 ACF 的产品设计人员并不多。
为了以较低成本和最少的设计改动来解决反激控制器中的电压尖峰问题，MPS 推出了 HF300 系列钳位控制器方案。如图 3 所示，HF300 通过检测流经钳位 MOSFET (Q’C)的电流，独立驱动 Q’C，无需与主反激控制器通信。
图3：传统反激控制器与 HF300 配合使用
HF300 是一款采用超小尺寸 SOT23 封装的 6 引脚反激控制器 IC，封装尺寸仅为 1.6mm × 2.9mm。由于只有少量漏感能量流经 HF300 所需的额外MOSFET (Q’C)，该 MOSFET 的尺寸也可以非常小。总体而言，与ACF方案相比，HF300具有成本更低、占板面积更小、设计改动更少等显著优势。
图 4 展示了 HF300 的基本工作原理。当反激变换器的主开关关断时，电感电流流经 Q’C的体二极管。HF300 通过 CS 引脚检测电流，一旦 CS 引脚电压 (VCS)低于栅极导通阈值 (VCS_ON)，HF300 即导通 Q’C。这样，漏感中储存的能量便全部转移至钳位电容，主开关的漏源电压 (VDS)被有效钳位在输入电压VIN与钳位电压(VC)之和附近。
图4：HF300 的工作原理
Q’C导通期间，漏感与钳位电容之间发生谐振，HF300 继续通过 CS 引脚监测振荡电流。一旦VCS低于零电流检测(ZCD)阈值(VCS_ZCD)，HF300即关断Q’C。这意味着，只要谐振周期小于QP 最短关断时间的 4/3，就可以确保QP与Q’C安全运行，而不会产生直通。根据漏感选择合适的钳位电容值，即可轻松满足所需的谐振周期。
图 5 对比了 65W AC/DC 反激电源使用 RCD 缓冲电路和 HF300 时的电压尖峰测试结果。采用 RCD 缓冲电路时，尖峰电压为 115V；采用 HF300 后，尖峰电压降至 46V。
图5：RCD 缓冲电路与 HF300 的电压尖峰测试结果对比
图 6 对比了 100W AC/DC 反激电源使用 RCD 缓冲电路和 HF300 时的效率测试结果。与 RCD 缓冲电路相比，HF300 可使效率提高约 0.3%，尤其是在 115VAC输入条件下。
图6：RCD 缓冲电路与 HF300 的效率测试结果对比
以上测试结果表明，HF300可有效降低反激变换器的电压应力。同时，更低的峰值电压和更低的振荡频率也有助于改善整个系统的 EMI 性能。图7所示的EMI测试结果显示出，与RCD缓冲电路相比，HF300可显著改善 EMI性能，尤其是在1MHz至30MHz的频段范围内。
图7：RCD 缓冲电路与HF300的EMI测试结果对比
本文讨论了降低反激变换器电压尖峰的几种方法，包括采用RCD 缓冲电路、有源钳位反激 (ACF) 电路，以及 HF300 钳位控制器方案。与市场现有方案相比，HF300可以直接替代现有反激变换器中的传统 RCD 缓冲电路，无需大幅修改设计或显著增加系统成本，即可大幅降低电压尖峰，同时改善 EMI 性能和效率。
如需了解更多信息，请浏览MPS的副边稳压解决方案。
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