如何降低開(kāi)關(guān)電源的功耗

一、引言
  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),而歐盟對(duì)開(kāi)關(guān)電源的要求是:到2005年,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
  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。TOPSWITCH,ICE2DS02G內(nèi)部設(shè)有專門(mén)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(mén)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。
 。ǘ┙档蜁r(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。
 。ㄈ┣袚Q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)。
  IRIS40xx芯片就是通過(guò)QR與PWM切換來(lái)提高待機(jī)效率的。當(dāng)電源處于輕載和待機(jī)時(shí)候,輔助繞組電壓較小,Q1關(guān)斷,諧振信號(hào)不能傳輸至FB端,F(xiàn)B電壓小于芯片內(nèi)部的一個(gè)門(mén)限電壓,不能觸發(fā)準(zhǔn)諧振模式,電路則工作在更低頻的脈寬調(diào)制控制模式。
  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。圖5是采用NS公司的LM2618控制的Buck轉(zhuǎn)換器電路和分別采用PWM和PFM控制方法的效率比較曲線。由圖可見(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)。

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