SMPS應(yīng)用中新穎超低靜態(tài)功耗的PWM控制概念

摘   要： 本文提出了一種新型可控間歇模式解決方案，它可以獲得極低的功耗，并且提供波動非常小的穩(wěn)定電源輸出。利用這種新控制方案，可使開關(guān)電源(SMPS)PWM控制器能夠在負載突然增加的情況下立即響應(yīng)，使輸出電壓不會在從待機模式到正常模式的轉(zhuǎn)變過程中下降太多。本文介紹了這種PWM控制方式，并給出了與其性能相關(guān)的實驗結(jié)果。
SMPS低待機功耗解決方案概述
近幾年，開關(guān)電源的待機功耗成為一個熱點話題，針對不同應(yīng)用和不同功率范圍推出了一些標準。
除了歐美等一些低功耗標準，SMPS制造商還需要更低的待機功耗，比如0.1W或0.2W。為了滿足越來越苛刻的要求，本文提出并分析了一些功率處理解決方案。
對于傳統(tǒng)的SMPS，表1列出了各項功率損耗及其計算公式。其中，為DC總線電壓；為啟動電阻；為通過MOSFET的RMS電流；為MOSFET導通電阻；為MOSFET開啟損耗；為MOSFET關(guān)斷損耗；f為SMPS開關(guān)頻率；為MOSFET管開啟后的傳導電流；為MOSFET管開啟之前漏源電壓；為MOSFET管關(guān)斷前的傳導電流；為MOSFET管關(guān)斷后漏源電壓；為二次側(cè)二極管導通電壓降；為二次側(cè)二極管的平均導通電流；為二次側(cè)二極管關(guān)斷損耗。
由于在待機條件下，輸出功率很低甚至為零，大多數(shù)SMPS控制器都在不連續(xù)模式(DCM)下工作且占空比極小。由于占空比很小，MOSFET和二極管的導通損耗以及鐵芯損耗可以忽略；在DCM操作下，二次側(cè)二極管的關(guān)斷損耗、MOSFET的開啟損耗也可以忽略，因此待機狀態(tài)下的主要損耗是MOSFET關(guān)斷損耗和啟動電阻損耗。
為了獲得低待機功耗，目前在SMPS設(shè)計中有一些解決方案被廣泛應(yīng)用。
?可開關(guān)的啟動電路
用一個開關(guān)電路替代電阻可以消除啟動電阻損耗。在啟動過程中，啟動電路開通；而當IC被激活后，啟動電路關(guān)閉。現(xiàn)有的許多PWM控制器都集成了這個性質(zhì)，如英飛凌的ICE3DS01G。

圖2 間歇模式原理

圖3 間歇模式下負載突變

圖4 240VAC下滿載工作。Channel 1：Vds，200V/div；time：5ms/div

圖5 輕負載間歇模式 240VAC    Channel 1：Vds；200V/div
Channel 3： VFB，2V/div；Channel 4：Vout，50mV/div；time：0.2ms/div

?降頻模式
由于MOSFET關(guān)斷損耗與開關(guān)頻率成比例，因而頻率越高損耗越高。然而，從SMPS基本原理可知，在正常工作模式下，需要利用高頻來減小變壓器和濾波器等器件的尺寸，而在待機模式下，低頻率有利于減小損耗。所以建議在PWM控制器中采用自動降低頻率。在一般的負載范圍，IC工作在高頻，當輸出功率下降到某一特定閾值，IC將會自動減小開關(guān)頻率。
降頻模式的優(yōu)點是，IC總是處于激活狀態(tài)，對整個負載范圍輸出穩(wěn)定；若是負載突然從零增加到滿載，或從滿載下降到零，IC能快速反應(yīng)，輸出電壓下降或過沖很小，并且可控；265VAC輸入時，無負載條件下的待機功耗可以到0.7W，如CoolSETTM-F2。其缺點是，為了避免音頻噪聲，頻率不應(yīng)低于20kHz，基于這個最小開關(guān)頻率，待機功率不可能更低，也不可能滿足0.3W的待機功耗需求。
?間歇模式
間歇模式下，有兩個時間區(qū)間段。在禁止區(qū)間段，MOSFET不動作，而在另一個區(qū)間段則解除此禁止信號， MOSFET可以傳輸功率。待機模式下，禁止段的時間遠大于解除段的時間，因而待機功耗非常低。
?輸出紋波和間歇頻率
圖2給出了間歇模式的基本原理。MOSFET在Ton期間處于工作狀態(tài)，在Toff期間處于關(guān)斷狀態(tài)。Ton期間，傳輸?shù)蕉蝹?cè)的功率是。整個周期的平均功率是，其中是間歇模式的占空比開通時間，，間歇頻率是。

圖6 無負載時間歇模式  240VAC   Channel 1：Vds，200V/div
Channel 3：VFB，2V/div；Channel 4：Vout，50mV/div；time：5ms/div

圖7 240VAC下負載從滿載下降到零負載時進入間歇模式
Channel 1：Vds，200V/div；Channel 2：Iout，1A/div
Channel3：VFB，2V/div；Channel 4：VFB，5V/div；time：5mV/div

圖8 240VAC下從零負載到滿載時離開間歇模式
Channel 1：Vds，200V/div；Channel 2：Iout。1A/div；
Channel3：VFB，2V/div；Channel 4：VFB，5V/div；time：0.2mV/div

Ton期間的輸出電容電荷變化是：

其中IAV是從輸出電容流出的輸出電流平均值。
平均輸出電壓和輸出電壓紋波是：

可以看出，輸出電壓紋波與輸出電容和間歇頻率成反比。從成本角度講，不宜使用大電容，因此常以增加間歇頻率的做法來減小輸出電壓紋波到可以接受的程度，但這將增加待機功耗。所以必須在輸出紋波電壓和待機功耗之間進行折中。
?動態(tài)負載階躍響應(yīng)
大多數(shù)間歇模式的做法是在Toff期間關(guān)閉PWM控制器而進行的。Toff期間，對輸出電壓沒有監(jiān)測和調(diào)節(jié)，此時如果輸出電流突然增加，那么PWM控制器不能夠被立即喚醒，輸出電壓僅靠有限的輸出電容上儲存的電荷來維持。這將導致很大的電壓降落甚至使輸出電壓為零。在下一個間歇周期，SMPS將重新啟動。此問題如圖3所示，對大多數(shù)電器來說這么大的輸出壓降是無法接受的。

采用間歇模式的新型PWM控制器ICE3DS01G
為了解決負載突變問題，PWM控制器在Toff期間不應(yīng)關(guān)斷。這意味著間歇模式必須由其它方式啟動，解決方法之一是通過反饋電壓來觸發(fā)。
ICE3DS01G是一種電流模式的PWM控制器。反饋電壓控制變壓器的初級峰值電流，即輸出功率：。在待機條件下，由于輸出功率比較低，反饋電壓也很低，可以設(shè)置閾值電壓使得IC進入間歇模式。一旦反饋電壓低于，MOSFET停止開關(guān)動作，沒有能量傳到二次側(cè)。輸出電壓緩慢降低，反饋電壓由于穩(wěn)壓調(diào)整電路的存在而升高。當反饋電壓到達閾值時，MOSFET重新開啟。假如存在大的負載突變，反饋電壓將突然增加而大于，IC立即離開間歇模式。利用這種反饋控制技術(shù)，輸出電壓紋波可以控制在最小，在輸出功率轉(zhuǎn)換到正常模式時IC可以迅速反應(yīng)。

實驗測試
采用ICE3DS01G搭建一個原型評估電路，輸出為14V/3.3A。無負載、240VAC輸入電壓下，輸入功耗低于0.2W。滿載工作時的測量結(jié)果如圖4所示。
?輕負載間歇模式
當VFB下降到1.3V時，IC停止開關(guān)動作。同時，輸出電壓開始下降，VFB上升。當VFB達到4V，MOSFET開始動作。輸出電壓充電，由于負載小VFB又降低。從圖5可以看出輸出電壓紋波小于100mV。
?無負載間歇模式
在無負載條件下，由于輸出電容放電慢而上升較慢。間歇頻率大約是50Hz，遠低于上面的小負載情況，在240VAC輸入電壓下輸入功率低于0.2W。如圖6所示。
?從滿負載到無負載的響應(yīng)過程
假如負載突然從滿負載降到零負載，經(jīng)過2.5ms延時之后，IC進入間歇模式。延時時間可以通過外部電容調(diào)整，以避免由于大的負載變化而突然進入間歇模式。圖7所示的輸出電壓過沖很小。
?從無負載到滿負載響應(yīng)過程
當負載突然從零負載到滿負載時，VFB立刻上升。在VFB＝4V時，IC啟動MOSFET開關(guān)動作，在VFB＝4.8V時離開間歇模式，輸出電壓降落小于0.3V。如圖8所示。

結(jié)語
隨著新型間歇模式待機控制方案的出現(xiàn)，輸出電壓紋波得到了很好的改善，間歇頻率可調(diào)以適應(yīng)輸出功率。一旦發(fā)生負載變化，PWM IC可以立即進入或者離開間歇模式，輸出電壓過載或下降會減小到最低。