開關(guān)電源功耗分析、提高待機(jī)效率的方法

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)，有滿載空載等幾個(gè)測試點(diǎn)都有很高的要求。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(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(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?？刂齐娐返淖饔靡环矫鎻妮敵龆巳樱?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。

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(gè)損耗與頻率成正比關(guān)系，即與單位時(shí)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(shí)間ton很小，電路工作在DCM模式，故相關(guān)的導(dǎo)通損耗，次級整流管損耗等較小，此時(shí)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(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)(PulseWidthModulation，PWM)，脈寬調(diào)制切換至脈沖頻率調(diào)制(PulseFrequencyModulation,PFM)；可控脈沖模(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(diǎn)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(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)反饋量超過某一閾值，通過特定模塊，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘頻率的線性下降?，F(xiàn)在市面上有非常多的電源管理芯片內(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(shí)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(shí)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(shí)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(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，工作頻率也越低。顯而易見，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(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。

這種芯片在工作時(shí)，當(dāng)反饋檢測腳FB的電壓低于一個(gè)閥值（如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，也即跳過若干個(gè)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(gè)設(shè)定值時(shí)，跳周期模式才有效。

而有些芯片則是通過控制內(nèi)部驅(qū)動器實(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一。

另外對于有使能腳的PWM控制器，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(shí)現(xiàn)Burs式的遲滯比較器產(chǎn)生。

（五）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(shí)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(shí)，也必須綜合考慮相關(guān)因素。

四、提高電源整機(jī)效率的一般方法

以下是提高開關(guān)電源效率的電路和系統(tǒng)方法：

（1）ZVS（零電壓開關(guān)）、ZCS（零電流開關(guān)）等利用諧振開關(guān)來降低開關(guān)損耗的方法。

（2）運(yùn)用以有源箝位電路為代表的邊緣諧振（Edge Resonance）來降低開關(guān)損耗。

（3）通過延展開關(guān)元件的導(dǎo)通時(shí)間以抑制峰值電流的方法來減少固定損耗。

（4）在低電壓大電流的場合通過改善同步整流電路的方法來減少固定損耗。

（5）利用轉(zhuǎn)換器的并聯(lián)結(jié)構(gòu)來減少固定損耗。

其中，第一種方法對于降低開關(guān)損耗極為有效，但問題是因峰值電流和峰值電壓所導(dǎo)致的固定損耗將會增加。第二種方法是為解決該問題而開發(fā)的有源緩沖器（Active Snubber），是一種極為實(shí)用的ZVS方式；但是，由輕負(fù)載條件下的無功電流所引發(fā)的效率下降問題卻是其一大缺陷。第三種方法中，采用抽頭電感器（Tap Inductor）的方式是比較有效的，它能夠應(yīng)付由漏感所引起的浪涌現(xiàn)象。

關(guān)于第四種方法，兩段式結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)同步整流電路高效工作的方法之一，它采用接近0.5的固定時(shí)間比率（Time Ratio），并由前段的轉(zhuǎn)換器來進(jìn)行輸出電壓控制。它一反“兩段式結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致效率下降”這一傳統(tǒng)思維模式，在低電壓大電流的場合非常有效。至于第五種方法，既可將整個(gè)轉(zhuǎn)換器電路進(jìn)行并聯(lián)，也可像電流倍增器（Current Doubler）那樣部分采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)。下面將對利用轉(zhuǎn)換器的并聯(lián)操作所實(shí)現(xiàn)的效率提升情況進(jìn)行簡要闡述。