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開關電源功耗分析 
(發(fā)布日期:2013-3-12 11:27:54) 來源:
 
     一、引言

  隨著能源效率和環(huán)保的日益重要,人們對開關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品能滿足BLUEANGEL,ENERGYSTAR,ENERGY2000等綠色能源標準,而歐盟對開關電源的要求是: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)開關電源由額定負載轉入輕載和待機狀態(tài)時,電源效率急劇下降,待機效率不能滿足要求。這就給電源設計工程師們提出了新的挑戰(zhàn)。

  二、開關電源功耗分析

  要減小開關電源待機損耗,提高待機效率,首先要分析開關電源損耗的構成。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系,即與單位時間內器件開關次數(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交疊損耗和啟動電阻損耗構成。

  (三)切換工作模式

  1.QR→PWM對于工作在高頻工作模式的開關電源,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關斷,諧振信號不能傳輸至FB端,F(xiàn)B電壓小于芯片內部的一個門限電壓,不能觸發(fā)準諧振模式,電路則工作在更低頻的脈寬調制控制模式。

  2.PWM→PFM

  對于額定功率時工作在PWM模式的開關電源,也可以通過切換至PFM模式提高待機效率,即固定開通時間,調節(jié)關斷時間,負載越低,關斷時間越長,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。

  (四)可控脈沖模式(BurstMode)

  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,首先是頻率降低導致輸出電壓紋波的增加,其次如果頻率降至20kHz以內,可能有音頻噪音。而在BurstMode的OFF時期內,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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