談?wù)勅绾翁岣唛_(kāi)關(guān)電源待機(jī)效率

王易華

[摘要]在開(kāi)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(kāi)關(guān)電源電路的構(gòu)成和分析損耗的原因。通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)電源損耗原因的分析，系統(tǒng)地介紹采取切斷啟動(dòng)電阻、降低開(kāi)關(guān)頻率、減小開(kāi)關(guān)次數(shù)等方法可減小待機(jī)損耗，同時(shí)提高待機(jī)效率。

[關(guān)鍵詞]損耗 開(kāi)關(guān)電源 效率

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

一、引言

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源（以下簡(jiǎn)稱開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)變換器，得到PWM開(kāi)關(guān)電源，它的特點(diǎn)是用20kHz脈沖頻率或脈沖寬度調(diào)制-PWM開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(duì)開(kāi)關(guān)電源待機(jī)效率期望越來(lái)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(duì)開(kāi)關(guān)電源的要求是：額定功率為0.3W～15W，15W～50W和50W～75W的開(kāi)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(kāi)關(guān)電源由額定負(fù)載轉(zhuǎn)入輕載和待機(jī)狀態(tài)時(shí)，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(jì)工程師們提出了新的挑戰(zhàn)。

二、開(kāi)關(guān)電源功耗分析

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源從原理上是由主電路、控制電路、檢測(cè)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(guò)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(guò)濾，同時(shí)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(jí)變換。再將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開(kāi)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(cè)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(duì)整機(jī)進(jìn)行各種保護(hù)措施。檢測(cè)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(kāi)關(guān)電源的內(nèi)部原理，要減小開(kāi)關(guān)電源待機(jī)損耗，提高待機(jī)效率，首先要分析開(kāi)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(kāi)關(guān)交疊損耗，PWM控制器及其啟動(dòng)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(gè)損耗與頻率成正比關(guān)系，即與單位時(shí)間內(nèi)器件開(kāi)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(shí)間ton很小，電路工作在DCM模式，故相關(guān)的導(dǎo)通損耗，次級(jí)整流管損耗等較小，此時(shí)損耗主要由寄生電容損耗和開(kāi)關(guān)交疊損耗和啟動(dòng)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(dòng)電阻，降低開(kāi)關(guān)頻率，減小開(kāi)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(shí)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(dòng)電阻

對(duì)于反激式電源，啟動(dòng)后控制芯片由輔助繞組供電，啟動(dòng)電阻上壓降為300V左右。設(shè)啟動(dòng)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(dòng)后將該電阻通道切斷。如TOPSWITCH，ICE2DS02G內(nèi)部設(shè)有專門的啟動(dòng)電路，可在啟動(dòng)后關(guān)閉該電阻。若控制器沒(méi)有專門啟動(dòng)電路，也可在啟動(dòng)電阻串接電容，其啟動(dòng)后的損耗可逐漸下降至零。缺點(diǎn)是電源不能自重啟，只有斷開(kāi)輸入電壓，使電容放電后才能再次啟動(dòng)電路。

（二）降低時(shí)鐘頻率

時(shí)鐘頻率可平滑下降或突降。平滑下降就是當(dāng)反饋量超過(guò)某一閾值，通過(guò)特定模塊，實(shí)現(xiàn)時(shí)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(duì)于工作在高頻工作模式的開(kāi)關(guān)電源，在待機(jī)時(shí)切換至低頻工作模式可減小待機(jī)損耗。例如，對(duì)于準(zhǔn)諧振式開(kāi)關(guān)電源（工作頻率為幾百kHz到幾MHz），可在待機(jī)時(shí)切換至低頻的脈寬調(diào)制控制模式PWM（幾十kHz）。

2．PWM→PFM

對(duì)于額定功率時(shí)工作在PWM模式的開(kāi)關(guān)電源，也可以通過(guò)切換至PFM模式提高待機(jī)效率，即固定開(kāi)通時(shí)間，調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間，負(fù)載越低，關(guān)斷時(shí)間越長(zhǎng)，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(jiàn)，在輕載時(shí)采用PFM模式的電源效率明顯大于采用PWM模式時(shí)的效率，且負(fù)載越低，PFM效率優(yōu)勢(shì)越明顯。將待機(jī)信號(hào)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(gè)閾值時(shí)，該引腳被拉為低電平，電路工作在PFM模式。實(shí)現(xiàn)PWM和PFM的切換，也就提高了輕載和待機(jī)狀態(tài)時(shí)的電源效率。

通過(guò)降低時(shí)鐘頻率和切換工作模式實(shí)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(gè)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(guò)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(shí)，由周期比PWM控制器時(shí)鐘周期大的信號(hào)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(shí)現(xiàn)恒定頻率下通過(guò)減小開(kāi)關(guān)次數(shù)，增大占空比來(lái)提高輕載和待機(jī)的效率。該信號(hào)可以加在反饋通道，PWM信號(hào)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(shí)，當(dāng)反饋檢測(cè)腳FB的電壓低于1.2V（該值可編程）時(shí)，跳周期比較器控制Q觸發(fā)器，使輸出關(guān)閉若干時(shí)鐘周期，也即跳過(guò)若干個(gè)周期，負(fù)載越輕，跳過(guò)的周期也越多。為免音頻噪音，只有在峰值電流降至某個(gè)設(shè)定值時(shí)，跳周期模式才有效。

而FSD200則是通過(guò)控制內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器實(shí)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(dòng)輸出。我們可根據(jù)此原理用分立元件實(shí)現(xiàn)普通芯片的BurstMode功能。控制反饋通道是實(shí)現(xiàn)一般PWM控制器的可控脈沖模式的方法之一。

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

四、存在的問(wèn)題

以上介紹的切斷啟動(dòng)電阻、降低開(kāi)關(guān)頻率，減小開(kāi)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(lái)一些問(wèn)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(shí)期內(nèi)，如果負(fù)載激增，輸出電壓會(huì)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(huì)導(dǎo)致成本增加，并會(huì)影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。因此在采取相關(guān)措施來(lái)減小開(kāi)關(guān)電源待機(jī)損耗，提高待機(jī)效率的同時(shí)，也必須綜合考慮相關(guān)因素。

參考文獻(xiàn)：

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