如何降低開(kāi)關(guān)電源的功耗
一、引言
隨著(zhù)能源效率和環(huán)保的日益重要，人們對開(kāi)關(guān)電源待機效率期望越來(lái)越高，客戶(hù)要求電源制造商提供的電源產(chǎn)品能滿(mǎn)足BLUEANGEL，ENERGYSTAR，ENERGY2000等綠色能源標準，而歐盟對開(kāi)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(kāi)關(guān)電源，待機功耗需分別小于0.3W，0.5W和0.75W.而目前大多數開(kāi)關(guān)電源由額定負載轉入輕載和待機狀態(tài)時(shí)，電源效率急劇下降，待機效率不能滿(mǎn)足要求。這就給電源設計工程師們提出了新的挑戰。
二、開(kāi)關(guān)電源功耗分析
要減小開(kāi)關(guān)電源待機損耗，提高待機效率，首先要分析開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)交疊損耗，PWM控制器及其啟動(dòng)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(gè)損耗與頻率成正比關(guān)系，即與單位時(shí)間內器件開(kāi)關(guān)次數成正比。在待機狀態(tài)，主電路電流較小，MOSFET導通時(shí)間ton很小，電路工作在DCM模式，故相關(guān)的導通損耗，次級整流管損耗等較小，此時(shí)損耗主要由寄生電容損耗和開(kāi)關(guān)交疊損耗和啟動(dòng)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(dòng)電阻，降低開(kāi)關(guān)頻率，減小開(kāi)關(guān)次數可減小待機損耗，提高待機效率。具體的方法有：降低時(shí)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）。
�。ㄒ唬┣袛鄦�(dòng)電阻
對于反激式電源，啟動(dòng)后控制芯片由輔助繞組供電，啟動(dòng)電阻上壓降為300V左右。設啟動(dòng)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(dòng)后將該電阻通道切斷。TOPSWITCH，ICE2DS02G內部設有專(zhuān)門(mén)的啟動(dòng)電路，可在啟動(dòng)后關(guān)閉該電阻。若控制器沒(méi)有專(zhuān)門(mén)啟動(dòng)電路，也可在啟動(dòng)電阻串接電容，其啟動(dòng)后的損耗可逐漸下降至零。缺點(diǎn)是電源不能自重啟，只有斷開(kāi)輸入電壓，使電容放電后才能再次啟動(dòng)電路。
�。ǘ┙档蜁r(shí)鐘頻率
時(shí)鐘頻率可平滑下降或突降。平滑下降就是當反饋量超過(guò)某一閾值，通過(guò)特定模塊，實(shí)現時(shí)鐘頻率的線(xiàn)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。
�。ㄈ┣袚Q工作模式
1.QR→PWM對于工作在高頻工作模式的開(kāi)關(guān)電源，在待機時(shí)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(kāi)關(guān)電源（工作頻率為幾百kHz到幾MHz），可在待機時(shí)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(guò)QR與PWM切換來(lái)提高待機效率的。當電源處于輕載和待機時(shí)候，輔助繞組電壓較小，Q1關(guān)斷，諧振信號不能傳輸至FB端，FB電壓小于芯片內部的一個(gè)門(mén)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(shí)工作在PWM模式的開(kāi)關(guān)電源，也可以通過(guò)切換至PFM模式提高待機效率，即固定開(kāi)通時(shí)間，調節關(guān)斷時(shí)間，負載越低，關(guān)斷時(shí)間越長(cháng)，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(xiàn)。由圖可見(jiàn)，在輕載時(shí)采用PFM模式的電源效率明顯大于采用PWM模式時(shí)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(gè)閾值時(shí)，該引腳被拉為低電平，電路工作在PFM模式。實(shí)現PWM和PFM的切換，也就提高了輕載和待機狀態(tài)時(shí)的電源效率。
通過(guò)降低時(shí)鐘頻率和切換工作模式實(shí)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(gè)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(mǎn)負載的情況下，能夠快速反應，反之亦然。輸出電壓降和過(guò)沖值都保持在允許范圍內。
隨著(zhù)能源效率和環(huán)保的日益重要，人們對開(kāi)關(guān)電源待機效率期望越來(lái)越高，客戶(hù)要求電源制造商提供的電源產(chǎn)品能滿(mǎn)足BLUEANGEL，ENERGYSTAR，ENERGY2000等綠色能源標準，而歐盟對開(kāi)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(kāi)關(guān)電源，待機功耗需分別小于0.3W，0.5W和0.75W.而目前大多數開(kāi)關(guān)電源由額定負載轉入輕載和待機狀態(tài)時(shí)，電源效率急劇下降，待機效率不能滿(mǎn)足要求。這就給電源設計工程師們提出了新的挑戰。
二、開(kāi)關(guān)電源功耗分析
要減小開(kāi)關(guān)電源待機損耗，提高待機效率，首先要分析開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)交疊損耗，PWM控制器及其啟動(dòng)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(gè)損耗與頻率成正比關(guān)系，即與單位時(shí)間內器件開(kāi)關(guān)次數成正比。在待機狀態(tài)，主電路電流較小，MOSFET導通時(shí)間ton很小，電路工作在DCM模式，故相關(guān)的導通損耗，次級整流管損耗等較小，此時(shí)損耗主要由寄生電容損耗和開(kāi)關(guān)交疊損耗和啟動(dòng)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(dòng)電阻，降低開(kāi)關(guān)頻率，減小開(kāi)關(guān)次數可減小待機損耗，提高待機效率。具體的方法有：降低時(shí)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）。
�。ㄒ唬┣袛鄦�(dòng)電阻
對于反激式電源，啟動(dòng)后控制芯片由輔助繞組供電，啟動(dòng)電阻上壓降為300V左右。設啟動(dòng)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(dòng)后將該電阻通道切斷。TOPSWITCH，ICE2DS02G內部設有專(zhuān)門(mén)的啟動(dòng)電路，可在啟動(dòng)后關(guān)閉該電阻。若控制器沒(méi)有專(zhuān)門(mén)啟動(dòng)電路，也可在啟動(dòng)電阻串接電容，其啟動(dòng)后的損耗可逐漸下降至零。缺點(diǎn)是電源不能自重啟，只有斷開(kāi)輸入電壓，使電容放電后才能再次啟動(dòng)電路。
�。ǘ┙档蜁r(shí)鐘頻率
時(shí)鐘頻率可平滑下降或突降。平滑下降就是當反饋量超過(guò)某一閾值，通過(guò)特定模塊，實(shí)現時(shí)鐘頻率的線(xiàn)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。
�。ㄈ┣袚Q工作模式
1.QR→PWM對于工作在高頻工作模式的開(kāi)關(guān)電源，在待機時(shí)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(kāi)關(guān)電源（工作頻率為幾百kHz到幾MHz），可在待機時(shí)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(guò)QR與PWM切換來(lái)提高待機效率的。當電源處于輕載和待機時(shí)候，輔助繞組電壓較小，Q1關(guān)斷，諧振信號不能傳輸至FB端，FB電壓小于芯片內部的一個(gè)門(mén)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(shí)工作在PWM模式的開(kāi)關(guān)電源，也可以通過(guò)切換至PFM模式提高待機效率，即固定開(kāi)通時(shí)間，調節關(guān)斷時(shí)間，負載越低，關(guān)斷時(shí)間越長(cháng)，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(xiàn)。由圖可見(jiàn)，在輕載時(shí)采用PFM模式的電源效率明顯大于采用PWM模式時(shí)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(gè)閾值時(shí)，該引腳被拉為低電平，電路工作在PFM模式。實(shí)現PWM和PFM的切換，也就提高了輕載和待機狀態(tài)時(shí)的電源效率。
通過(guò)降低時(shí)鐘頻率和切換工作模式實(shí)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(gè)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(mǎn)負載的情況下，能夠快速反應，反之亦然。輸出電壓降和過(guò)沖值都保持在允許范圍內。
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