本文是由以下学者及机构联合完成的研究成果，并发表在IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics期刊（Vol. 10, No. 6, December 2022）上，其数字对象唯一标识符（DOI）为10.1109/JESTPE.2022.3181809。 - 主要作者：Qinsong Qian, Shengyou Xu, Shiyun Xu, Qi Liu (Graduate Student Member, IEEE), Song Ding (Graduate Student Member, IEEE), Cheng Gu, Ziyan Zhou, Limin Yu, Shengli Lu, 和 Weifeng Sun (Senior Member, IEEE)。 - 主要机构：Southeast University, National ASIC System Engineering and Research Center, Jiangsu, China。
本文属于电力电子学领域，研究重点在高频电源适配器设计与控制策略的优化。随着便携式电子产品的快速发展，对于电源适配器在效率、尺寸和功率密度等方面的需求不断增加。然而，高频化带来的效率问题成为传统电路拓扑的瓶颈。例如，传统反激式电路（Flyback Converter）由于其硬开关模式而导致高频损耗显著增加，同时电磁干扰（EMI）噪声增大。此外，尽管准谐振反激式电路（Quasi-Resonant Flyback Converter）和自适应ZVS反激式电路具有一定改进，但它们在高频场景下仍存在诸多控制复杂性和效率优化的限制。
针对上述背景，本文提出了一种用于主侧谐振型主动箝位反激式（Active Clamp Flyback, ACF）转换器的新型高精度主侧稳压（Primary Side Regulation, PSR）恒压控制方法，旨在改善系统输出电压精度、提升功率密度并适应高频应用场景。
本文研究的ACF转换器被划分为两种模式，即主侧谐振型（Primary-Resonant ACF, PR-ACF）和副侧谐振型（Secondary-Resonant ACF, SR-ACF）。这两种模式主要基于谐振元件的布局位置不同而定义： 1. PR-ACF模式：仅在主侧布置谐振元件，电路拓扑相对简单。 2. SR-ACF模式：副侧加入谐振元件，包括谐振电容（Cr）和输出滤波电感（Lo），但复杂性增加。
在每种模式下，转换器表现出不同的谐振工作机制，具体实验拓扑如图中所示（Fig. 2）。通过对这两种模式进行分析比较，本文探索了主辅绕组电压的取样原理以及输出电压预测方法。
本文提出的PSR控制方法基于主侧辅助绕组电压（Auxiliary Winding Voltage, Vaux）的精准采样。核心思路是确定次级整流器电流零点，并通过采样辅助绕组电压来计算输出电压。在PR-ACF和SR-ACF中，主要涉及以下采样点： 1. PR-ACF采样点： - Ta4时刻：次级整流器电流开始导通。 - Ta5时刻：次级整流器电流终止导通。 2. SR-ACF采样点： - Tb2时刻：次级整流器电流开始导通。 - Tb4时刻：次级整流器电流终止导通。
为了确保上述时间点采样的精准性，本文设计了一种基于比较器的信号检测电路（Fig. 8）。这套系统通过比较辅助绕组电压与可调阈值电压，当检测到电压突变时，确定所需采样时刻。数据采集模块结合精确的补偿延迟时间，确保在下一个开关周期中完成高精度的电压采样。
数据的处理以及输出电压的预测分析通过片上控制器模块（MCU）完成。MCU集成了所需的ADC、DAC、计时器及高分辨率PWM模块，减少了电路外部器件的需求，提高了系统的功率密度。
通过实验验证，PR-ACF和SR-ACF均实现了零电压开关（Zero Voltage Switching, ZVS）。但SR-ACF由于次级谐振元件的加入，其效率更高，电流过冲相对更小。 1. PR-ACF模式：在输入电压120 V和输出电压20 V条件下，输出电流分别为1 A、2 A和3 A时，波形显示ZVS效果良好。动态性能测试显示，从满载到半载的负载跃变，调节时间为490 μs，电压过冲仅为1.3 V。而从半载到满载的正向跃变，调节时间为525 μs。 2. SR-ACF模式：在相同工作条件下，ZVS效果更显著，且谐振电流峰值更低，说明其导通损耗和绕组损耗更小。动态性能测试显示调节时间略有增加（620 μs至645 μs），但其电压过冲和下冲更小（不超过1.15 V）。
在输出电压偏差测试中，PR-ACF的最大输出电压偏差为4%，而SR-ACF为3.5%。这一差异归因于后者的输出电感对噪声的过滤作用。此外，SR-ACF的效率在满载时达到93.2%，相较PR-ACF的92.5%更高。而两者在高频范围内的功率密度均优于传统Flyback和Quasi-Resonant Flyback方案。
实验还揭示了系统的损耗分布。无论是导通损耗、绕组损耗还是磁芯损耗，SR-ACF均优于PR-ACF，主要受益于更低的主侧电流。此外，通过与现有文献原型方案的比较，本文提出的控制方法在系统效率、功率密度以及输出电压偏差优化上均表现突出，尤其适用于高高频电源适配器设计。
本文以创新性的主侧稳压控制方法，克服了传统PSR方案在高频ACF电路应用中的不足，实现了不同谐振模式下的高精度输出电压预测，且通过集成电路设计提升了整体功率密度与效率。在电源适配器领域，该研究无疑为高频化、小型化以及高效能化的发展提供了新的解决方案。
研究亮点包括： 1. 提出并验证了适用于PR-ACF和SR-ACF的统一PSR采样方法。 2. 利用MCU集成设计简化硬件结构，实现了电路的小型化。 3. 精确分析和对比了两种ACF模式的动态特性、损耗分布及应用场景。
本文提出了一种高精度恒压控制方法，为高频、多功率密度转换器的设计提供了重要理论支持和实际参考。在未来研究中，如何进一步优化SR-ACF模式的动态响应以及复杂电路的控制策略，将成为潜在方向。