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提高開關(guān)電源待機(jī)效率的方法

發(fā)布時(shí)間:2009-07-28

中心議題:
  • 開關(guān)電源功耗分析
  • 提高待機(jī)效率的方法
  • 電源降頻存在的問題
解決方案:
  • 降低時(shí)鐘頻率
  • 切斷啟動(dòng)電阻
  • 切換工作模式
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BLUE ANGEL,ENERGY STAR, ENERGY 2000等綠色能源標(biāo)準(zhǔn),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(jī)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(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)。

開關(guān)電源功耗分析
  
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(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(dòng)電阻損耗構(gòu)成。

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(Quasi Resonant,QR)切換至脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM), 脈寬調(diào)制切換至脈沖頻率調(diào)制(Pulse Frequency Modulation, PFM);可控脈沖模式(Burst Mode)。

切斷啟動(dòng)電阻
   
對于反激式電源,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)有專門的啟動(dòng)電路,可在啟動(dòng)后關(guān)閉該電阻。

若控制器沒有專門啟動(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,只有斷開輸入電壓,使電容放電后才能再次啟動(dòng)電路。而圖1所示的啟動(dòng)電路,則可避免 以上問題,而且該電路功耗僅為0.03W。不過電路增加了復(fù)雜度和成本。
                                          
                                              圖1 UC3842反激式電源啟動(dòng)電路

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。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,圖2所示是SG6848時(shí)鐘頻率與其反饋電流的關(guān)系。
                                    
                                       圖2 SG6848反饋電流與時(shí)鐘頻率的關(guān)系
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  突降實(shí)現(xiàn)方法如圖3:以UCC3895為例,當(dāng)電源處于正常負(fù)載狀態(tài)時(shí),Q1導(dǎo)通,其時(shí)鐘周期為:

即開關(guān)頻率減小。開關(guān)損耗降為降頻前的 (小于1)倍。L5991和Infineon公司的CoolSetF2系列已經(jīng)集成了該功能。
                                                       

切換工作模式

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)。
  
IRIS40xx芯片就是通過QR與PWM切換來提高待機(jī)效率的。圖4是IRIS4015構(gòu)成的反激式開關(guān)電源,重載時(shí),輔助繞組電壓大,R1分壓大于0.6V,Q1導(dǎo)通,輔助準(zhǔn)諧振信號(hào)經(jīng)過D1,D2,R3,C2構(gòu)成的延時(shí)電路到達(dá)IRIS4015的FB腳,內(nèi)部比較器對該信號(hào)進(jìn)行比較,電路工作在準(zhǔn)諧振模式。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。
                                           

                                        圖4由IRIS4015構(gòu)成的QR/PWM反激式電源電路

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。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(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(hào)加在其PW/ PPM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)。
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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,如圖6所示。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(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)。
                                         
                                                 圖6BurstMode控制信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)圖

NCP1200的內(nèi)部跳周期模塊結(jié)構(gòu)見圖7,當(dāng)反饋檢測腳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。
                                    
                                              圖7NCP1200跳周期模塊結(jié)構(gòu)

而FSD200則是通過控制內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)可控脈沖模式,即將Vfo 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,其結(jié)構(gòu)可見圖8。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,即檢測次級電壓判斷電源是否處于待機(jī)狀態(tài),通過遲滯比較器,控制芯片輸出,電路如圖9所示。
                                       



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。其電路可見圖10

另外對于有使能腳的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,可以實(shí)現(xiàn)BurstMode,上述BurstSignal可由圖1中所示的遲滯比較器產(chǎn)生。

圖10控制反饋通道的BurstMode

存在的問題
  
以上介紹的降頻和BurstMode方法在提高待機(jī)效率的同時(shí),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(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。因此必須綜合考慮。
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