如何降低外置電源的能量消耗
節能設計正在席卷整個(gè)電子行業(yè)。電子設備的普遍運用對電網(wǎng)的壓力越來(lái)越大，因此節能就顯得非常有必要了。
政府機構和公用事業(yè)公司提出了一系列的法規和措施，來(lái)鼓舞工程師開(kāi)發(fā)效率更高的產(chǎn)品，特別是在運用外置電源的時(shí)分。要滿(mǎn)足這些法規，半導體公司將發(fā)揮關(guān)鍵作用，它們不時(shí)推出可降低待機功耗、進(jìn)步效率的產(chǎn)品來(lái)抵達法規的懇求。
運用外置電源的產(chǎn)品非常普遍，如筆記本電腦、打印機、調制解調器、電池充電器等。固然這些產(chǎn)品的單個(gè)功耗不大，但其數量龐大、運用頻繁，效 率每進(jìn)步一個(gè)百分點(diǎn)所節約的能源也是非�？捎^(guān)的。據美國環(huán)境維護署的能源之星計劃預算，進(jìn)步這些產(chǎn)品的電源效率每年可節能3200萬(wàn)千瓦時(shí)。
能源之星計劃始于20世紀90年代，其目的是經(jīng)過(guò)進(jìn)步消費類(lèi)電子產(chǎn)品在關(guān)閉或待機時(shí)的效率來(lái)節能。該計劃在2001年中止了擴展，提出了1W議案，懇求一些家電和消費類(lèi)電子產(chǎn)品在接到交流市電并待機時(shí)的功耗小于1W。
要抵達能源之星的標準，一個(gè)產(chǎn)品必需滿(mǎn)足在“開(kāi)啟”或工作方式，以及“關(guān)閉”或無(wú)負載(電源曾經(jīng)接到交流市電，但未銜接設備)兩種狀態(tài)下的效率標準。這些標準請參見(jiàn)表1和表2。
表1公式中的Ln指的是自然對數。能源之星對外置電源的測試方法會(huì )在工作方式丈量在輸出標稱(chēng)電流的100%、75%、50%、25%時(shí)的效率，然后計算四種狀態(tài)下的測試平均值，在此基礎上，再應用表1的公式肯定最小的平均效率。
往常曾經(jīng)有一些具有本錢(qián)效益的成熟方案可滿(mǎn)足上述懇求。僅僅在幾年前，笨重的60Hz變壓器、線(xiàn)性穩壓器還被以為是容易設計且性?xún)r(jià)比高的方 案。但是，這種設計不能滿(mǎn)足新的標準。大多數外置電源都采用了開(kāi)關(guān)方式來(lái)進(jìn)步效率。出于對外置電源模塊功率級別的思索，人們通常選用反激式轉換器這種拓 撲，這種拓樸可以運用集成的功率開(kāi)關(guān)，如FAIRCHILD POWER Switch(FPS)，見(jiàn)圖1。
圖1 普通的反激式轉換器可以運用集成開(kāi)關(guān)
高電壓FET與控制器封裝在一同，從而減少了器件數量、本錢(qián)和電路板面積。運用固定頻率反激式轉換器，可以將運用60Hz變壓器的外置電源的效率，從45%～59%進(jìn)步到75%～85%，而且還有進(jìn)一步進(jìn)步效率的辦法。
例如，采用準諧振技術(shù)可以減少主開(kāi)關(guān)FET中的開(kāi)關(guān)損耗，可以將效率進(jìn)步最多5%，為更好天文解這一點(diǎn)，可以回想一下硬開(kāi)關(guān)轉換器的工作過(guò)程，參見(jiàn)圖2
圖2 硬開(kāi)關(guān)轉換器的MOSFET波形
當FET關(guān)斷時(shí)，包括FET的Coss等在內的寄生電容、變壓器電容、反射回來(lái)的二極管電容將會(huì )充電。當FET重新回到導通狀態(tài)時(shí)，這些寄生電容又會(huì )對FET放電，由此招致的很大的峰值電流是開(kāi)關(guān)損耗的主要緣由。
但是，在準諧振轉換器中，控制器會(huì )檢測FET的源漏極間的電壓，控制器僅在源漏極間的電壓最小時(shí)的第一個(gè)波谷處使FET導通，開(kāi)關(guān)頻率與振蕩器無(wú)關(guān)，而是取決于主電感、電容、輸入電壓和輸出功率。圖3顯現了這種方式的工作原理。
圖3 源漏極間的電壓最小時(shí)的電壓波形
準諧振開(kāi)關(guān)方式大大削減了電流尖峰，從而也就減小了開(kāi)關(guān)損耗和EMI。采用這種設計，可以完成零電壓、高效率，并減小開(kāi)關(guān)FET上的應力。
幾種辦法可以進(jìn)步待機方式的效率，這些方法通常都采用降低開(kāi)關(guān)頻率的技術(shù)，由于在待機狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)損耗占了總損耗的大部分，并且與頻率直接相關(guān)。
假設反激式電源工作在非連續方式下，輸出二極管的開(kāi)關(guān)損耗會(huì )很低，由于在電壓翻轉之前，流過(guò)二極管的電流為零。初級側FET的開(kāi)關(guān)損耗可以用式(1)來(lái)近似計算，其中VDS是漏源電壓，fSW是開(kāi)關(guān)頻率，IDSpk是峰值耗盡電流，tSWon和tSWoff)是轉換時(shí)間。
PSWfet=1/2VDSIDSpk fSW(tSWon=tSWoff) (1)
為改善待機效率，FPS運用了突發(fā)方式來(lái)降低待機時(shí)的頻率，參見(jiàn)圖4。
圖4 準諧振轉換器的突發(fā)方式減少了對電源的運用
當產(chǎn)品的負載進(jìn)一步減小，反響電壓Vfb也會(huì )減小。當反響電壓低于500mV時(shí)，器件會(huì )自動(dòng)進(jìn)入突發(fā)方式。
主器件仍然會(huì )繼續工作，但內部的電流限值將會(huì )降低，以限值變壓器中的磁通密度。當反響電壓繼續降低時(shí)，器件仍將繼續開(kāi)和關(guān)。
當反響電壓降低到350mV時(shí)，器件將中止開(kāi)關(guān)，電源的輸出電壓將根據負載電流的大小，成比例地降低，從而使反響電壓升高。
當Vfb抵達500mV時(shí)，器件將重新中止開(kāi)關(guān)，重復上面的過(guò)程。這種突發(fā)方式的好處是可以大幅降低在待機方式下糜費的功率。例如，在驅動(dòng)0.3W負載時(shí)，飛兆公司的FSDH321僅從市電網(wǎng)吸收0.65W的功率。
降低待機方式和活動(dòng)方式的另一種辦法是減小消耗在啟動(dòng)電阻上的功率，由于除非采用昂貴的切斷電路，在將電源接到交流市電時(shí)會(huì )用到啟動(dòng)電阻。 大多數FPS器件的內部有一個(gè)高壓電流源，因此不需求啟動(dòng)電阻。在系統啟動(dòng)之后，電流源與高壓直流部分的銜接會(huì )被切斷，從而節約更多的能源。
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