如何降低開關(guān)電源的功耗

一、引言
  隨著能源效率和環(huán)保的日益重要,人們對開關(guān)電源待機效率期望越來越高,客戶要求電源制造商提供的電源產(chǎn)品能滿足BLUEANGEL,ENERGYSTAR,ENERGY2000等綠色能源標準,而歐盟對開關(guān)電源的要求是:到2005年,額定功率為0.3W~15W,15W~50W和50W~75W的開關(guān)電源,待機功耗需分別小于0.3W,0.5W和0.75W.而目前大多數(shù)開關(guān)電源由額定負載轉(zhuǎn)入輕載和待機狀態(tài)時,電源效率急劇下降,待機效率不能滿足要求。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
  要減小開關(guān)電源待機損耗,提高待機效率,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。在待機狀態(tài),主電路電流較小,MOSFET導通時間ton很小,電路工作在DCM模式,故相關(guān)的導通損耗,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)可減小待機損耗,提高待機效率。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)。
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  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.要改善待機效率,必須在啟動后將該電阻通道切斷。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。
 。ǘ┙档蜁r鐘頻率
  時鐘頻率可平滑下降或突降。平滑下降就是當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)負載大小調(diào)節(jié)頻率。
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  1.QR→PWM對于工作在高頻工作模式的開關(guān)電源,在待機時切換至低頻工作模式可減小待機損耗。例如,對于準諧振式開關(guān)電源(工作頻率為幾百kHz到幾MHz),可在待機時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QR與PWM切換來提高待機效率的。當電源處于輕載和待機時候,輔助繞組電壓較小,Q1關(guān)斷,諧振信號不能傳輸至FB端,F(xiàn)B電壓小于芯片內(nèi)部的一個門限電壓,不能觸發(fā)準諧振模式,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模式提高待機效率,即固定開通時間,調(diào)節(jié)關(guān)斷時間,負載越低,關(guān)斷時間越長,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,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,且負載越低,PFM效率優(yōu)勢越明顯。將待機信號加在其PW/引腳上,在額定負載條件下,該引腳為高電平,電路工作在PWM模式,當負載低于某個閾值時,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)降低待機工作頻率,提高待機效率,可保持控制器一直在運作,在整個負載范圍中,輸出都能被妥善的調(diào)節(jié)。即使負載從零激增至滿負載的情況下,能夠快速反應,反之亦然。輸出電壓降和過沖值都保持在允許范圍內(nèi)。

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