提高開關(guān)電源待機效率的方法
摘要：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。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。本文簡要介紹提高開關(guān)電源待機效率的方法。關(guān)鍵詞：損耗開關(guān)電源效率
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(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(dǎo)通時間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）。
（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。
（二）降低時鐘頻率
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。
（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(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）是指當處于輕載或待機條件時，由周期比PWM控制器時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，如圖6所示。這樣即可實現(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（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）。
NCP1200的內(nèi)部跳周期模塊結(jié)構(gòu)見圖7，當反饋檢測腳FB的電壓低于1.2V（該值可編程）時，跳周期比較器控制Q觸發(fā)器，使輸出關(guān)閉若干時鐘周期，也即跳過若干個周期，負載越輕，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設(shè)定值時，跳周期模式才有效。
而FSD200則是通過控制內(nèi)部驅(qū)動器實現(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)果控制門極驅(qū)動輸出。我們可根據(jù)此原理用分立元件實現(xiàn)普通芯片的BurstMode功能?？刂品答佂ǖ朗菍崿F(xiàn)一般PWM控制器的可控脈沖模式的方法之一。
另外對于有使能腳的PWM控制器，如L6565等，用可控脈沖信號控制使能腳使控制芯片有效或失效，也可以實現(xiàn)BurstMode，上述BurstSignal可由圖1中所示的遲滯比較器產(chǎn)生。
四、存在的問題以上介紹的降頻和BurstMode方法在提高待機效率的同時，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時期內(nèi)，如果負載激增，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。因此必須綜合考慮。
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(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(dǎo)通時間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）。
（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。
（二）降低時鐘頻率
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。
（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(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）是指當處于輕載或待機條件時，由周期比PWM控制器時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，如圖6所示。這樣即可實現(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（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）。
NCP1200的內(nèi)部跳周期模塊結(jié)構(gòu)見圖7，當反饋檢測腳FB的電壓低于1.2V（該值可編程）時，跳周期比較器控制Q觸發(fā)器，使輸出關(guān)閉若干時鐘周期，也即跳過若干個周期，負載越輕，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設(shè)定值時，跳周期模式才有效。
而FSD200則是通過控制內(nèi)部驅(qū)動器實現(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)果控制門極驅(qū)動輸出。我們可根據(jù)此原理用分立元件實現(xiàn)普通芯片的BurstMode功能?？刂品答佂ǖ朗菍崿F(xiàn)一般PWM控制器的可控脈沖模式的方法之一。
另外對于有使能腳的PWM控制器，如L6565等，用可控脈沖信號控制使能腳使控制芯片有效或失效，也可以實現(xiàn)BurstMode，上述BurstSignal可由圖1中所示的遲滯比較器產(chǎn)生。
四、存在的問題以上介紹的降頻和BurstMode方法在提高待機效率的同時，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時期內(nèi)，如果負載激增，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。因此必須綜合考慮。
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