你的位置:首頁 > 電源管理 > 正文

數(shù)字電源技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效率電源

發(fā)布時(shí)間:2011-02-10

中心議題:
  • 數(shù)字電源技術(shù)同步整流技術(shù)
  • 數(shù)字電源技術(shù)伏秒平衡控制技術(shù)


為推廣高效率節(jié)能產(chǎn)品,越來越多的國家和地區(qū)紛紛發(fā)布了各種節(jié)能規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。例如,國際能源署(IEA)所倡導(dǎo)“1W計(jì)劃”,美國環(huán)保署(EPA)的“能源之星”計(jì)劃,以及中國節(jié)能產(chǎn)品認(rèn)證中心(CECP)所制定的規(guī)章等都把節(jié)能環(huán)保放在重要位置。

如何提高電源的效率,是目前電源設(shè)計(jì)中面臨的重要課題。數(shù)字電源技術(shù)的出現(xiàn)為提高電源的效率提供了新的方法。ADP1043是ADI公司推出的一款針對(duì)高端服務(wù)器、存儲(chǔ)器以及通信設(shè)備等電源所設(shè)計(jì)的數(shù)字電源控制器,可支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并利用直觀的圖形用戶界面(GUI)無需用語言進(jìn)行編程,便可在幾分鐘之內(nèi)配置包括頻率、時(shí)序、電壓設(shè)置與保護(hù)限制等系統(tǒng)電源參數(shù)。圖1所示為ADP1043的典型應(yīng)用電路。其所采用的數(shù)字電源技術(shù)可幫助實(shí)現(xiàn)高效率電源。
圖1ADP1043典型應(yīng)用電路同步整流技術(shù)同步整流技術(shù)是指用導(dǎo)通電阻較低的MOSFET來替代整流二極管,從而達(dá)到降低整流損耗、提高效率的目的。在同步整流技術(shù)中,為避免交叉導(dǎo)通的危險(xiǎn),在主開關(guān)與同步整流開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間必須設(shè)定一定的死區(qū)時(shí)間。在死區(qū)時(shí)間內(nèi),電感電流流過同步整流MOSFET的體二極管。而這個(gè)體二極管一般會(huì)具有較高的前向?qū)妷篤F,在死區(qū)時(shí)間較大時(shí),會(huì)造成較大的損耗。

因此,為最大限度地提高效率,要求死區(qū)時(shí)間盡可能小。但是在傳統(tǒng)的模擬方案中,自驅(qū)動(dòng)型除了應(yīng)用的限制外,還很難提供精確的控制時(shí)序;對(duì)于外驅(qū)動(dòng)型,由于其參數(shù)是由電阻、電容等無源器件進(jìn)行設(shè)定,存在誤差、老化、溫漂等問題,為保證有足夠的余量,死區(qū)時(shí)間也不可能設(shè)置得很小。因此,ADP1043的數(shù)字方案是很好的選擇。圖2所示為ADP1043在全橋拓?fù)潆娐废碌腜WM和SR的GUI設(shè)置界面。通過設(shè)置T9、T10、T11和T125便可精確獲得同步整流MOSFET所需的死區(qū)時(shí)間,其中每次調(diào)整的最小時(shí)間為5ns。
圖2PWM和SR的GUI設(shè)置界面

伏秒平衡控制技術(shù)
 
 
在傳統(tǒng)的橋式拓?fù)潆娐分?,一般為防止變壓器的偏磁,?huì)在變壓器的原邊回路中串入一個(gè)隔直電容器。這樣做存在缺點(diǎn),一方面是增加了電源的成本和體積,另一方面又增加了損耗,降低了效率。ADP1043采用伏秒平衡控制的數(shù)字技術(shù)解決了該問題。如圖3所示,在每個(gè)開關(guān)周期中,ADP1043通過CS1分別測(cè)量流過開關(guān)管A、D和開關(guān)管B、C的電流并計(jì)算其差值,通過差值信號(hào)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)OUTB和OUTD的脈寬,對(duì)失衡進(jìn)行補(bǔ)償。
 
例如,如圖4所示,當(dāng)CS1測(cè)量到流過開關(guān)管B、C的電流大于開關(guān)管A、D時(shí),便會(huì)減小OUTB的脈寬,增大OUTD的脈寬,這樣流過開關(guān)管B、C的電流會(huì)減小,而流過開關(guān)管A、D的電流會(huì)增大,經(jīng)過若干周期后,電流自動(dòng)實(shí)現(xiàn)了平衡。采用該技術(shù)后,可有效防止偏磁,并且省去隔直電容器,提高效率和可靠性。

圖3伏秒平衡控制技術(shù)

圖4伏秒平衡控制波形[page]
 
動(dòng)態(tài)死區(qū)控制技術(shù)在傳統(tǒng)模擬方案中,一般設(shè)定一個(gè)足夠長(zhǎng)的固定的死區(qū)時(shí)間可確保電源工作在所有條件下。但是對(duì)于一個(gè)典型的應(yīng)用環(huán)境,這個(gè)死區(qū)時(shí)間往往比所需的時(shí)間長(zhǎng),由于在死區(qū)時(shí)間,是MOSFET的體二極管在導(dǎo)通電流,所以較長(zhǎng)的死區(qū)時(shí)間會(huì)增加損耗,降低電源的效率。ADP1043可根據(jù)負(fù)載的情況,動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)死區(qū)的大小,從而使電源在輕載和滿載時(shí)的效率得以優(yōu)化。改善輕載效率除了提高電源在重載下的效率,改善電源輕載時(shí)的效率也同樣至關(guān)重要。

這是因?yàn)樵陔娫磯勖慕^大部分時(shí)間內(nèi),工作負(fù)荷一般低于60%,電源很少在滿負(fù)荷下(100%)長(zhǎng)時(shí)間工作,在滿載時(shí)能高效工作的系統(tǒng)并不能保證在輕載時(shí)也同樣保持最佳狀態(tài)。傳統(tǒng)的模擬方案為改善輕載效率,往往需要大規(guī)模改變或增加控制電路,增加了控制的復(fù)雜性,降低了電源的可靠性。而ADP1043所提供的數(shù)字控制技術(shù),無需增加新的控制電路就能輕易的切換控制策略,這對(duì)于模擬電路來說幾乎是不可能的。

跳周期控制技術(shù)一般來說,開關(guān)電源在重載時(shí),其損耗主要是功率開關(guān)管的導(dǎo)通損耗。而在輕載時(shí),開關(guān)管的開關(guān)損耗和磁損占主導(dǎo)地位。因此,降低開關(guān)管在輕載時(shí)的開關(guān)頻率就能明顯降低損耗,提高電源輕載時(shí)的效率。跳周期控制技術(shù)就是一種有效的方法。通常當(dāng)電源從滿載一直減小時(shí),其工作模式會(huì)從連續(xù)電流模式(CCM)進(jìn)入到非連續(xù)電流模式(DCM),這時(shí)為了維持輸出電壓的調(diào)節(jié),開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間將會(huì)減小。如果一直繼續(xù)減小負(fù)載,開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間就會(huì)到達(dá)最小導(dǎo)通時(shí)間。在達(dá)到最小導(dǎo)通時(shí)間后,如果仍繼續(xù)減小負(fù)載,調(diào)節(jié)器必須屏蔽掉一些開關(guān)脈沖,以維持輸出電壓的調(diào)節(jié)。

這時(shí)一個(gè)脈沖將對(duì)輸出電容充電維持足夠的輸出能量,而在接下來的幾個(gè)脈沖被調(diào)節(jié)器屏蔽,不驅(qū)動(dòng)開關(guān)管,當(dāng)輸出電壓降到調(diào)節(jié)器的閾值電壓以下時(shí),一個(gè)新的脈沖開始。這樣,在維持輸出穩(wěn)定的前提下減少了開關(guān)次數(shù),降低了開關(guān)損耗,從而極大的提高輕載的效率。通過ADP1043的GUI可以設(shè)置開關(guān)管的最大和最小的導(dǎo)通時(shí)間和是否啟用跳周期控制技術(shù),如圖5所示。當(dāng)所需的導(dǎo)通時(shí)間小于設(shè)置的最小導(dǎo)通時(shí)間,并且啟用了跳周期控制技術(shù)時(shí),電源進(jìn)入跳周期的工作模式。
 
圖5跳周期控制GUI設(shè)置界面關(guān)閉同步整流當(dāng)電源采用同步整流時(shí),由于MOSFET的雙向?qū)ǖ奶匦?,使得此時(shí)的電感電流能夠反向,產(chǎn)生環(huán)流。環(huán)流的大小和輸出濾波電感有關(guān),輸出濾波電感越小,環(huán)流就會(huì)越大,相應(yīng)的損耗也會(huì)越大。由于同步整流管不能從連續(xù)電流模式(CCM)自動(dòng)切換到非連續(xù)電流模式(DCM),因此要在電感電流反向前關(guān)閉同步整流,使電源進(jìn)入非連續(xù)電流模式(DCM),避免環(huán)流的產(chǎn)生,大大提高電源輕載時(shí)的效率。

通過ADP1043的GUI可以設(shè)置關(guān)閉同步整流時(shí)的電流閾值。當(dāng)輸出電流值低于該閾值時(shí),關(guān)閉同步整流。如圖6所示為采用ADP1043設(shè)計(jì)的全橋拓?fù)涞哪K電源在不關(guān)閉和關(guān)閉同步整流在輕載條件下的損耗的情況??梢钥吹?,當(dāng)關(guān)閉同步整流后,大大減少了電源的輕載損耗。

圖6兩種模式下的輕載損耗比較
 
切相技術(shù)隨著對(duì)功率要求越來越大,以及對(duì)負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的要求越來越嚴(yán)格,用兩個(gè)或更多個(gè)功率單元進(jìn)行交錯(cuò)處理的多相技術(shù)越來越普遍。多相電路相對(duì)于單相電路具備明顯的優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)包括輸入紋波電流很低,輸入電容數(shù)量較少;由于輸出紋波頻率的等效倍增,使輸出紋波電壓也降低了;而且由于損耗分布在更多元件中,消除了熱點(diǎn),降低了元件的溫度;在重載時(shí),開關(guān)管的導(dǎo)通損耗占主導(dǎo),通過多相并聯(lián)可以很好的降低導(dǎo)通損耗,提高電源在重載時(shí)的效率。

但是,隨著負(fù)載的減少,電路進(jìn)入輕載狀態(tài),開關(guān)管的開關(guān)損耗逐漸占主導(dǎo),此時(shí),輸出由一相供電就已經(jīng)足夠,多相的并聯(lián)反而使開關(guān)損耗成倍增加。因而,在輕載時(shí),僅留一相工作,關(guān)閉多相模式,可以明顯改善電路在輕載時(shí)的效率。如圖7所示,為采用ADP1043所設(shè)計(jì)的交錯(cuò)式雙管正激電路。當(dāng)輸出電流值低于通過GUI所設(shè)置的閾值時(shí),ADP1043便會(huì)關(guān)閉QA2、QB2的驅(qū)動(dòng)信號(hào),以減少損耗。圖8所示為采用切相技術(shù)的電源的效率曲線,可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸出電流低于10A時(shí),電源工作在單相模式下,效率有了明顯的提高。

圖7交錯(cuò)式雙管正激電路



圖8采用切相技術(shù)的效率曲線
 
結(jié)語ADP1043所提供的數(shù)字電源技術(shù)可以有效提高電源無論是在重載還是在輕載時(shí)的效率,實(shí)現(xiàn)了高效率電源。
要采購開關(guān)么,點(diǎn)這里了解一下價(jià)格!
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉