談?wù)勅绾翁岣唛_關(guān)電源待機(jī)效率

王易華

[摘要]在開關(guān)電源電路中，要提高待機(jī)效率，減小待機(jī)損耗，首先要研究開關(guān)電源電路的構(gòu)成和分析損耗的原因。通過對開關(guān)電源損耗原因的分析，系統(tǒng)地介紹采取切斷啟動電阻、降低開關(guān)頻率、減小開關(guān)次數(shù)等方法可減小待機(jī)損耗，同時提高待機(jī)效率。

[關(guān)鍵詞]損耗 開關(guān)電源 效率

中圖分類號：TM91文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0220017－01

一、引言

開關(guān)穩(wěn)壓電源（以下簡稱開關(guān)電源）取代晶體管線性穩(wěn)壓電源已有30多年歷史，最早出現(xiàn)的是串聯(lián)型開關(guān)電源，其主電路拓?fù)渑c線性電源相仿，功率晶體管作為開關(guān)管后，其脈寬調(diào)制(PWM)控制技術(shù)有了發(fā)展，用以控制開關(guān)變換器，得到PWM開關(guān)電源，它的特點是用20kHz脈沖頻率或脈沖寬度調(diào)制-PWM開關(guān)電源效率可達(dá)65-70％，而線性電源的效率只有30-40％。在發(fā)生世界性能源危機(jī)的年代，引起了人們的廣泛關(guān)注。線性電源工作于工頻，因此用工作頻率為20kHZ的PWM開關(guān)電源替代，可大幅度節(jié)約能源，在電源技術(shù)發(fā)展史上譽(yù)為20kHZ革命。在此基礎(chǔ)上，人們正在研究如何進(jìn)一步提高開關(guān)電源的待機(jī)效率。

隨著能源效率和環(huán)保的日益重要，人們對開關(guān)電源待機(jī)效率期望越來越高，客戶要求電源制造商提供的電源產(chǎn)品能滿足BLUEANGEL、ENERGYSTAR、ENERGY2000等綠色能源標(biāo)準(zhǔn)，一般情況下對開關(guān)電源的要求是：額定功率為0.3W～15W，15W～50W和50W～75W的開關(guān)電源，待機(jī)功耗需分別小于0.3W，0.5W和0.75W。而目前大多數(shù)開關(guān)電源由額定負(fù)載轉(zhuǎn)入輕載和待機(jī)狀態(tài)時，電源效率急劇下降，待機(jī)效率不能滿足要求。這就給電源設(shè)計工程師們提出了新的挑戰(zhàn)。

二、開關(guān)電源功耗分析

開關(guān)穩(wěn)壓電源從原理上是由主電路、控制電路、檢測電路、輔助電源四大部分組成，其中主電路是指從交流電網(wǎng)輸入、直流輸出的全過程，包括：輸入濾波器、整流與濾波、逆變、輸出整流與濾波。它們的作用分別是首先將電網(wǎng)存在的雜波過濾，同時也阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋到公共電網(wǎng)。其次是將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電，以供下一級變換。再將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開關(guān)電源的核心部分，頻率越高，體積、重量與輸出功率之比越小。最后根據(jù)負(fù)載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。控制電路的作用一方面從輸出端取樣，經(jīng)與設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，然后去控制逆變器，改變其頻率或脈寬，達(dá)到輸出穩(wěn)定，另一方面，根據(jù)測試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護(hù)電路鑒別，提供控制電路對整機(jī)進(jìn)行各種保護(hù)措施。檢測電路除了提供保護(hù)電路中正在運(yùn)行中各種參數(shù)外，還提供各種顯示儀表數(shù)據(jù)。輔助電源提供所有單一電路的不同要求電源。

根據(jù)開關(guān)電源的內(nèi)部原理，要減小開關(guān)電源待機(jī)損耗，提高待機(jī)效率，首先要分析開關(guān)電源損耗的構(gòu)成。以反激式電源為例，其工作損耗主要表現(xiàn)為：MOSFET導(dǎo)通損耗，MOSFET寄生電容損耗，開關(guān)交疊損耗，PWM控制器及其啟動電阻損耗，輸出整流管損耗，箝位保護(hù)電路損耗，反饋電路損耗等。其中前三個損耗與頻率成正比關(guān)系，即與單位時間內(nèi)器件開關(guān)次數(shù)成正比。在待機(jī)狀態(tài)，主電路電流較小，MOSFET導(dǎo)通時間ton很小，電路工作在DCM模式，故相關(guān)的導(dǎo)通損耗，次級整流管損耗等較小，此時損耗主要由寄生電容損耗和開關(guān)交疊損耗和啟動電阻損耗構(gòu)成。

三、提高待機(jī)效率的方法

根據(jù)損耗分析可知，切斷啟動電阻，降低開關(guān)頻率，減小開關(guān)次數(shù)可減小待機(jī)損耗，提高待機(jī)效率。具體的方法有：降低時鐘頻率；由高頻工作模式切換至低頻工作模式，如準(zhǔn)諧振模式(QuasiResonant，QR)切換至脈寬調(diào)制(PulseWidthModulation，PWM)，脈寬調(diào)制切換至脈沖頻率調(diào)制(PulseFrequencyModulation,PFM)；可控脈沖模式(BurstMode)。

（一）切斷啟動電阻

對于反激式電源，啟動后控制芯片由輔助繞組供電，啟動電阻上壓降為300V左右。設(shè)啟動電阻取值為47kΩ，消耗功率將近2W。要改善待機(jī)效率，必須在啟動后將該電阻通道切斷。如TOPSWITCH，ICE2DS02G內(nèi)部設(shè)有專門的啟動電路，可在啟動后關(guān)閉該電阻。若控制器沒有專門啟動電路，也可在啟動電阻串接電容，其啟動后的損耗可逐漸下降至零。缺點是電源不能自重啟，只有斷開輸入電壓，使電容放電后才能再次啟動電路。

（二）降低時鐘頻率

時鐘頻率可平滑下降或突降。平滑下降就是當(dāng)反饋量超過某一閾值，通過特定模塊，實現(xiàn)時鐘頻率的線性下降。POWER公司的TOPSwitch-GX和SG公司的SG6848芯片內(nèi)置了這樣的模塊，能根據(jù)負(fù)載大小調(diào)節(jié)頻率。

（三）切換工作模式

1．QR→PWM

對于工作在高頻工作模式的開關(guān)電源，在待機(jī)時切換至低頻工作模式可減小待機(jī)損耗。例如，對于準(zhǔn)諧振式開關(guān)電源（工作頻率為幾百kHz到幾MHz），可在待機(jī)時切換至低頻的脈寬調(diào)制控制模式PWM（幾十kHz）。

2．PWM→PFM

對于額定功率時工作在PWM模式的開關(guān)電源，也可以通過切換至PFM模式提高待機(jī)效率，即固定開通時間，調(diào)節(jié)關(guān)斷時間，負(fù)載越低，關(guān)斷時間越長，工作頻率也越低。如采用NS公司LM2618控制的Buck轉(zhuǎn)換器電路和分別采用PWM和PFM控制方法的效率進(jìn)行比較，顯而易見，在輕載時采用PFM模式的電源效率明顯大于采用PWM模式時的效率，且負(fù)載越低，PFM效率優(yōu)勢越明顯。將待機(jī)信號加在其PW/引腳上，在額定負(fù)載條件下，該引腳為高電平，電路工作在PWM模式，當(dāng)負(fù)載低于某個閾值時，該引腳被拉為低電平，電路工作在PFM模式。實現(xiàn)PWM和PFM的切換，也就提高了輕載和待機(jī)狀態(tài)時的電源效率。

通過降低時鐘頻率和切換工作模式實現(xiàn)降低待機(jī)工作頻率，提高待機(jī)效率，可保持控制器一直在運(yùn)作，在整個負(fù)載范圍中，輸出都能被妥善的調(diào)節(jié)。即使負(fù)載從零激增至滿負(fù)載的情況下，能夠快速反應(yīng)，反之亦然。輸出電壓降和過沖值都保持在允許范圍內(nèi)。

（四）可控脈沖模式(BurstMode)

可控脈沖模式，也可稱為跳周期控制模式(SkipCycleMode)是指當(dāng)處于輕載或待機(jī)條件時，由周期比PWM控制器時鐘周期大的信號控制電路某一環(huán)節(jié)，使得PWM的輸出脈沖周期性的有效或失效。這樣即可實現(xiàn)恒定頻率下通過減小開關(guān)次數(shù)，增大占空比來提高輕載和待機(jī)的效率。該信號可以加在反饋通道，PWM信號輸出通道，PWM芯片的使能引腳（如LM2618，L6565）或者是芯片內(nèi)部模塊（如NCP1200，F(xiàn)SD200，L6565和TinySwitch系列芯片）。

NCP1200在工作時，當(dāng)反饋檢測腳FB的電壓低于1.2V（該值可編程）時，跳周期比較器控制Q觸發(fā)器，使輸出關(guān)閉若干時鐘周期，也即跳過若干個周期，負(fù)載越輕，跳過的周期也越多。為免音頻噪音，只有在峰值電流降至某個設(shè)定值時，跳周期模式才有效。

而FSD200則是通過控制內(nèi)部驅(qū)動器實現(xiàn)可控脈沖模式，即將腳的反饋電壓與0.6V/0.5V遲滯比較器比較，由比較結(jié)果控制門極驅(qū)動輸出。我們可根據(jù)此原理用分立元件實現(xiàn)普通芯片的BurstMode功能。控制反饋通道是實現(xiàn)一般PWM控制器的可控脈沖模式的方法之一。

另外對于有使能腳的PWM控制器，如L6565等，用可控脈沖信號控制使能腳使控制芯片有效或失效，也可以實現(xiàn)BurstMode模式的遲滯比較器產(chǎn)生。

四、存在的問題

以上介紹的切斷啟動電阻、降低開關(guān)頻率，減小開關(guān)次數(shù)等方法均可減小待機(jī)損耗，提高待機(jī)效率，但也帶來一些問題，首先是頻率降低導(dǎo)致輸出電壓紋波的增加，其次如果頻率降至20kHz以內(nèi)，可能有音頻噪音。而在BurstMode的OFF時期內(nèi)，如果負(fù)載激增，輸出電壓會大大降低，如果輸出電容不夠大，電壓甚至可能降低至零。如果增大輸出電容，以減小輸出電壓紋波，則會導(dǎo)致成本增加，并會影響系統(tǒng)動態(tài)性能。因此在采取相關(guān)措施來減小開關(guān)電源待機(jī)損耗，提高待機(jī)效率的同時，也必須綜合考慮相關(guān)因素。

參考文獻(xiàn)：

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