【導(dǎo)讀】國際電源能效標(biāo)準(zhǔn)隨著能源的日新月異，要求和標(biāo)準(zhǔn)也隨之提高。要想既滿足電源能效標(biāo)準(zhǔn)，又能提升性能降低成本，這就需要顛覆性的設(shè)計技術(shù)才能接受這個挑戰(zhàn)。為此，在不犧牲負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時間的情況下，設(shè)計出節(jié)省成本、提升性能的AD/DC電源。
國際電源能效標(biāo)準(zhǔn)
美國能源部（DoE）于2007年頒布的外部電源能效標(biāo)準(zhǔn)對空載功耗以及負(fù)載為額定負(fù)載電流25%至100%時的平均能效提出了一整套嚴(yán)格的要求。歐盟和全球其它國家也頒布了類似的標(biāo)準(zhǔn)，但DoE的標(biāo)準(zhǔn)是最嚴(yán)格的強制性標(biāo)準(zhǔn)。2014年2月，DoE更新了外部電源標(biāo)準(zhǔn)后，進(jìn)一步嚴(yán)格規(guī)范了離線電源的能效和空載功耗。通過限制電源的最大空載功耗，該標(biāo)準(zhǔn)迫使電源制造商降低電源空載時來自市電的輸入電流。雖然在待機時限制控制電路的電流能夠節(jié)省電能，但它也影響了電源從空載迅速過渡到滿載的能力，而在這個永遠(yuǎn)在線的消費電子世界中，這個特性一直被我們視為是理所當(dāng)然的。
負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時間 – 大信號響應(yīng)時間和工作電流
負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時間直接影響輸出電壓的質(zhì)量；較快的響應(yīng)速度有助于減少輸出電壓偏差，而且不必使用多余的輸出電容器；較慢的響應(yīng)速度則反之。使用低功耗控制器時，響應(yīng)速度通常較慢，從而迫使電源不得不依賴外部組件來響應(yīng)輸出電流的變化。負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時間實際上是控制環(huán)路的大信號響應(yīng)時間，整合了小信號穩(wěn)定性和一些大信號因素，例如，控制電路能夠迅速轉(zhuǎn)換放大器和驅(qū)動器的輸出。如果器件的轉(zhuǎn)換速率較低，而且小信號帶寬也較窄，輸出響應(yīng)負(fù)載變化的速度也較慢。
電子器件中的一些基本關(guān)系是通用的，雖然這不一定是絕對的。例如，工作電流很小的運算放大器或?qū)Ρ绕鬓D(zhuǎn)換輸出的速度與工作電流較大的器件一樣快。隨著電流的下降，傳播時延也會增加，因為用于降低電流的各個級聯(lián)輸入級將增加信號穿過電路的時間。對于AC/DC轉(zhuǎn)換器，輸出變壓器的反射阻抗所產(chǎn)生的復(fù)雜性以及寄生電感的特性增加了分析大信號響應(yīng)時間的復(fù)雜性。通過關(guān)注控制器自身能夠做什么，而不去考慮主動無源組件的改變，我們就能有最大程度的電源性能提升，并降低工作電流。
負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時間分析
當(dāng)任何電源的輸出電流發(fā)生變化時，多個因素將影響電源輸出響應(yīng)負(fù)載變化的速度和精度。通過將電源視作一個黑盒子－非理想電源，我們可以分析出是哪些因素決定了響應(yīng)時間。
圖1顯示了一個常見的負(fù)載變化以及其輸出如何響應(yīng)這個變化。假設(shè)這個模型為一黑盒子，其輸出電路是一個黑盒子電源，配有一個使用等效串聯(lián)電阻（ESR）、等效串聯(lián)電感（ESL）和額定容量建模的輸出電容器。根據(jù)輸出電流的轉(zhuǎn)換速率以及輸出電容的ESR和ESL，由于電流的瞬時增加導(dǎo)致輸出電壓迅速下降。電壓瞬時下降的原因是輸出電容的ESR，而這個初始尖峰的恢復(fù)特性則取決于ESL。
圖1 瞬態(tài)響應(yīng)時間分析
合理選擇ESR和ESL較低的旁路電容能夠?qū)⑦@個初始尖峰趨近于零。一旦輸出電容開始向輸出端提供電流，電壓將根據(jù)輸出電流和輸出總電容下降(dV = (I/C)*dt)。輸出電壓的下降幅度完全取決于電源響應(yīng)變化并開始向輸出電容器和負(fù)載提供電流的時間(dt)。一旦開始向輸出端提供電流，輸出電容將充至標(biāo)稱輸出電壓，并提供一個較小的輸出偏移量。這個輸出偏移量通常被稱為負(fù)載調(diào)整率，而且通常取決于控制環(huán)路的增益特性。系統(tǒng)中的增益越大，對負(fù)載的電壓輸出精度就越高。
反激式轉(zhuǎn)換器中所使用的控制器可以是模擬或數(shù)字控制器。這兩種技術(shù)均用于完成相同的功能，但所采用的方法截然不同。模擬控制器使用模擬放大器監(jiān)測來自輸出端的反饋，以便生成一個誤差信號，然后將其與一個參考信號進(jìn)行對比，并對輸出級進(jìn)行調(diào)制，以使輸出電壓返回到調(diào)節(jié)狀態(tài)。數(shù)字電路將模擬反饋信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，然后將該字與一個已設(shè)定的對比點進(jìn)行對比，再使用比例-積分-微分（PID）過濾器對輸出進(jìn)行調(diào)制，以調(diào)節(jié)輸出電壓。從黑盒子的角度而言，它們完成了相同的功能，但黑盒子內(nèi)部卻是兩個截然不同的世界。
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模擬控制器
采用模擬技術(shù)的電源控制器已問世數(shù)十年。作為一種廣為熟悉的技術(shù)，模擬控制器的優(yōu)缺點已經(jīng)被探討了很長一段時間。作為任何模擬控制器的核心（圖2），傳統(tǒng)的誤差放大器的性能取決于偏置電流。雖然的確存在能夠以很小的偏置電流實現(xiàn)較高性能的技術(shù)，但卻要犧牲硅片空間，而這是一個昂貴的代價。但是，一旦你為了遵從嚴(yán)格的最新能效標(biāo)準(zhǔn)而限制了這些模擬控制器的電流，它們的響應(yīng)時間將會大幅延長?；仡櫳鲜龅妮敵鲐?fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時間分析以及控制環(huán)路的響應(yīng)時間對輸出電壓質(zhì)量的影響，我們可以清楚地看到，環(huán)路越快，輸出電壓的完整性就越高。
圖2 通用模擬控制器
數(shù)字控制器
數(shù)字控制器的功能與模擬控制器相同，但黑盒子里面的某些內(nèi)容卻完全不同。一個典型的數(shù)字電源控制器由一個PID過濾器、數(shù)字參考、數(shù)字脈沖寬度調(diào)制（PWM）生成器和輸出驅(qū)動器構(gòu)成（圖3）。它將反饋信號轉(zhuǎn)換為一數(shù)字列，然后將該字列與數(shù)字參考點進(jìn)行對比，再使用PID過濾器決定數(shù)字化的PWM電路將向主電源設(shè)備輸出。一個標(biāo)準(zhǔn)的基于PID的數(shù)字控制器對復(fù)雜變化響應(yīng)較慢，除非它使用速度極高的ADC和時鐘頻率極高的數(shù)字內(nèi)核。在負(fù)載總是較大的大電流應(yīng)用中，這種方法是可行的，可以實現(xiàn)很快的響應(yīng)速度，但在輕載情況下，與模擬控制器類似，簡單的數(shù)字控制器也會無法滿足較高性能。
圖3 通用數(shù)字控制器
一個標(biāo)準(zhǔn)的模擬控制器相較于數(shù)字控制器，這兩個端點電路之間沒有理由存在重大的性能差距。但是，數(shù)字設(shè)計已經(jīng)發(fā)展到這樣的程度：可以為控制器設(shè)計增添一些模擬控制器難以實現(xiàn)的自由度。與數(shù)字PID主控模塊并聯(lián)的額外的模擬或數(shù)字電路更可大幅提升電路的性能。單純的模擬控制器很難實現(xiàn)這一點，因為額外的控制電路會嚴(yán)重破壞頻率補償。在模擬控制器中，一個控制環(huán)路本本已很難穩(wěn)定，多個并聯(lián)運行的環(huán)路需要極為復(fù)雜的補償機制，而為了實現(xiàn)穩(wěn)定，這通常又會導(dǎo)致不可接受的權(quán)衡。不論在DC/DC控制器或AC/DC控制器中，都存在相同的問題。
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快速動態(tài)負(fù)載響應(yīng)所產(chǎn)生的影響
具備快速動態(tài)負(fù)載響應(yīng)功能的電源不僅在維持最終應(yīng)用所需的電壓穩(wěn)定性、規(guī)格和性能方面擁有明顯優(yōu)勢，而且還能減少維持輸出電壓所需的大容量電容，從而縮減電路的規(guī)模和成本。在要求高性能和低成本、同時要求遵從國際能效標(biāo)準(zhǔn)的典型應(yīng)用就是用于為智能手機充電的USB兼容輸出、並通用于離線輸入電壓適配器。針對使用USB連接器的電池充電器的USB BC1.2規(guī)范定義了一個恒定的DC輸出電壓在通用AC輸入電壓范圍下運作，以確保使用遵從USB BC1.2規(guī)范的適配器的智能手機能夠正常工作。該規(guī)范還定義了一個恢復(fù)時間，即輸出從標(biāo)稱的電壓降至最低的電壓，然后再恢復(fù)的時間。輸出必須在指定的時間和DC容差內(nèi)恢復(fù)。
表1列出了需要遵從USB BC1.2的規(guī)范的規(guī)格。響應(yīng)時間和電壓似乎容易實現(xiàn)，尤其相對DC/DC轉(zhuǎn)換器而言，但AC/DC電源必須遵從DoE規(guī)范，而這是一個極大的挑戰(zhàn)。
表1. USB電池充電規(guī)范Rev 1.2電壓容差
Dialog電源轉(zhuǎn)換事業(yè)群（前iWatt Inc.）出品的iW1760遵從USB BC1.2規(guī)范，同時遵從DoE于2014年2月頒布的最新的能效標(biāo)準(zhǔn)以及歐盟頒布的最嚴(yán)格的能效標(biāo)準(zhǔn)“Code of Conduct Version 5, Tier 2”。圖4 顯示了iW1760在一個10W USB充電應(yīng)用中的響應(yīng)時間：輸出在6ms內(nèi)響應(yīng)了一個2A負(fù)載變化，并將輸出電壓保持在USB BC1.2 AC所要求的范圍內(nèi)，并留出了一些余量。
圖4. iW1760 – 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時間圖
一個響應(yīng)速度更快的部件能夠以更少的電容實現(xiàn)更短的響應(yīng)時間，同時滿足能效標(biāo)準(zhǔn)的要求。iW1786是一款數(shù)字控制器，能夠與次級側(cè)的一個用于檢測輸出電壓變化并向初級側(cè)發(fā)送即時反饋的組件（iW671）配合使用，實現(xiàn)快于獨立的初級側(cè)反饋的輸出。更短的響應(yīng)時間和更小的電壓降為適配器的設(shè)計增加了很大的設(shè)計余量。另外，設(shè)計人員還可以減少用于在過渡期間維持輸出電壓所需的大容量電容量。初次審視這個增加一個次級側(cè)IC的想法可能看起來像是一次中立性的尺寸和成本權(quán)衡，但是，iW671為二級側(cè)內(nèi)置了一個同步整流電路，從而消除了Schottky二極管，提高了能效。更短的響應(yīng)時間降低了輸出電容，提高了能效，降低了散熱要求，并消除了二級側(cè)的一些組件，提供了一個高集成的解決方案。
圖5 顯示了iW1786+iW671 （對比IC）的瞬態(tài)響應(yīng)時間，它比iW1760的原始響應(yīng)時間有了明顯的改進(jìn)。動態(tài)負(fù)載響應(yīng)時間大幅縮短，從而為遵從USB BC1.2充電規(guī)范流留出了很大余量(1)。
圖5中的最小AC電壓為4.8V，提供了200mV的電壓跌落，而圖4中的電壓跌落為700mV。圖5中的響應(yīng)時間約為3ms，大約為圖4中的一半。這改進(jìn)了跌落的速度，甚至不到圖4中的一半。
圖5 iW1786+iW671的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時間圖
iW1786采用一個復(fù)雜、並有多個控制環(huán)路的專有數(shù)字內(nèi)核。iW1786控制器中所使用的新一代的數(shù)字控制環(huán)路具備響應(yīng)速度快、外部組件少、無需外部補償組件也能維持多個控制環(huán)路的穩(wěn)定性的特點。模擬電路的或許夠?qū)崿F(xiàn)同類電路，但最終卻帶來了更大的電路尺寸、更高的成本和更困難補償。
數(shù)字技術(shù)正在將掀開一個新的電源設(shè)計時代，甚至能為那些不精通電源的設(shè)計工程師提供靈活、易用的解決方案。數(shù)字電源管理技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步讓快速響應(yīng)成為可能，并讓消費電子應(yīng)用的電源適配器能夠在不犧牲性能的情況下，滿足國際能效規(guī)定。
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