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開關電源功耗分析

09-03 12:42:42  瀏覽次數:904次  欄目:建筑電氣
標簽:建筑電氣工程技術,建筑電氣與智能化, 開關電源功耗分析,http://www.tljciu.live

  摘要: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。根據損耗分析可知,切斷啟動電阻,降低開關頻率,減小開關次數可減小待機損耗,提高待機效率。本文簡要介紹提高開關電源待機效率的方法。

  關鍵詞:損耗開關 電源效率 構成

  一、引言

  隨著能源效率和環保的日益重要,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.而目前大多數開關電源由額定負載轉入輕載和待機狀態時,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。

  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成正比。在待機狀態,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、提高待機效率的方法

  根據損耗分析可知,切斷啟動電阻,降低開關頻率,減小開關次數可減小待機損耗,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)切換至脈寬調制(PulseWidthModulation,PWM),脈寬調制切換至脈沖頻率調制(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內部設有專門的啟動電路,可在啟動后關閉該電阻。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,實現時鐘頻率的線性下降。POWER公司的TOPSwitch-GX和SG公司的SG6848芯片內置了這樣的模塊,能根據負載大小調節頻率。

  (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,FB電壓小于芯片內部的一個門限電壓,不能觸發準諧振模式,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PWM和PFM的切換,也就提高了輕載和待機狀態時的電源效率。

  通過降低時鐘頻率和切換工作模式實現降低待機工作頻率,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。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)

  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節,使得PWM的輸出脈沖周期性的有效或失效,如圖6所示。這樣即可實現恒定頻率下通過減小開關次數,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)或者是芯片內部模塊(如NCP1200,FSD200,L6565和TinySwitch系列芯片)。

  NCP1200的內部跳周期模塊結構見圖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觸發器,使輸出關閉若干時鐘周期,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定值時,跳周期模式才有效。

  而FSD200則是通過控制內部驅動器實現可控脈沖模式,即將腳的反饋電壓與0.6V/0.5V遲滯比較器比較,由比較結果控制門極驅動輸出。我們可根據此原理用分立元件實現普通芯片的BurstMode功能。控制反饋通道是實現一般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BurstMode,上述BurstSignal可由圖1中所示的遲滯比較器產生。

  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,并會影響系統動態性能。因此必須綜合考慮。

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