中心議題:
- 開關(guān)電源功耗分析
- MOSFET導(dǎo)通損耗
- 提高開關(guān)電源待機(jī)效率的方法
- 可控脈沖模式(Burst Mode)
解決方案:
- 切斷啟動電阻
- 降低時鐘頻率
隨著能源效率和環(huán)保的日益重要,人們對開關(guān)電源待機(jī)效率期望越來越高,客戶要求電源制造商提供的電源產(chǎn)品能滿足BLUE ANGEL,ENERGY STAR, ENERGY 2000等綠色能源標(biāo)準(zhǔn),而歐盟對開關(guān)電源的要求是:到2005年,額定功率為0.3W~15W,15W~50W和50W~75W的開關(guān)電源,待機(jī)功耗需分別小于0.3W,0.5W和0.75W?! ?br />
目前大多數(shù)開關(guān)電源由額定負(fù)載轉(zhuǎn)入輕載和待機(jī)狀態(tài)時,電源效率急劇下降,待機(jī)效率不能滿足要求。這就給電源設(shè)計工程師們提出了新的挑戰(zhàn)?! ?br />
開關(guān)電源功耗分析
要減小開關(guān)電源待機(jī)損耗,提高待機(jī)效率,首先要分析開關(guān)電源損耗的構(gòu)成。以反激式電源為例,其工作損耗主要表現(xiàn)為:MOSFET導(dǎo)通損耗
MOSFET導(dǎo)通損耗
MOSFET導(dǎo)通損耗
在待機(jī)狀態(tài),主電路電流較小,MOSFET導(dǎo)通時間ton很小,電路工作在DCM模式,故相關(guān)的導(dǎo)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(guān)交疊損耗和啟動電阻損耗構(gòu)成。
開關(guān)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(hù)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(guān)系,即與單位時間內(nèi)器件開關(guān)次數(shù)成正比。
提高開關(guān)電源待機(jī)效率的方法
根據(jù)損耗分析可知,切斷啟動電阻,降低開關(guān)頻率,減小開關(guān)次數(shù)可減小待機(jī)損耗,提高待機(jī)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(zhǔn)諧振模式(Quasi Resonant,QR)切換至脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM), 脈寬調(diào)制切換至脈沖頻率調(diào)制(Pulse Frequency Modulation, PFM);可控脈沖模式(Burst Mode)?! ?br />
(1)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(shè)啟動電阻取值為47kΩ,消耗功率將近2W。要改善待機(jī)效率,必須在啟動后將該電阻通道切斷。TOPSWITCH,ICE2DS02G內(nèi)部設(shè)有專門的啟動電路,可在啟動后關(guān)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(diǎn)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。
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UC3842反激式電源啟動電路
圖1 UC3842反激式電源啟動電路
圖1所示的啟動電路,則可避免以上問題,而且該電路功耗僅為0.03W。不過電路增加了復(fù)雜度和成本。
(2)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(dāng)反饋量超過某一閾值,通過特定模塊,實(shí)現(xiàn)時鐘頻率的線性下降。POWER公司的TOPSwitch-GX和SG公司的SG6848芯片內(nèi)置了這樣的模塊,能根據(jù)負(fù)載大小調(diào)節(jié)頻率,圖2所示是SG6848時鐘頻率與其反饋電流的關(guān)系。
SG6848反饋電流與時鐘頻率的關(guān)系
圖2 SG6848反饋電流與時鐘頻率的關(guān)系
突降實(shí)現(xiàn)方法如圖3:以UCC3895為例,當(dāng)電源處于正常負(fù)載狀態(tài)時,Q1導(dǎo)通,其時鐘周期為:
時鐘頻率突降實(shí)現(xiàn)與時鐘波形
圖3:時鐘頻率突降實(shí)現(xiàn)與時鐘波形
時鐘周期小于1倍。L5991和Infineon公司的CoolSet F2系列已經(jīng)集成了該功能。
(3) 切換工作模式
QR→PWM I
RIS40xx芯片就是通過QR與PWM切換來提高待機(jī)效率的。圖4是IRIS4015構(gòu)成的反激式開關(guān)電源,
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IRIS4015構(gòu)成的QR/PWM反激式電源電路
圖4 由IRIS4015構(gòu)成的QR/PWM反激式電源電路
重載時,輔助繞組電壓大,R1分壓大于0.6V,Q1導(dǎo)通,輔助準(zhǔn)諧振信號經(jīng)過D1,D2,R3,C2構(gòu)成的延時電路到達(dá)IRIS4015的FB腳,內(nèi)部比較器對該信號進(jìn)行比較,電路工作在準(zhǔn)諧振模式。當(dāng)電源處于輕載和待機(jī)時候,輔助繞組電壓較小,Q1關(guān)斷,諧振信號不能傳輸至FB端,F(xiàn)B電壓小于芯片內(nèi)部的一個門限電壓,不能觸發(fā)準(zhǔn)諧振模式,電路則工作在更低頻的脈寬調(diào)制控制模式?! ?br />
PWM→PFM
對于額定功率時工作在PWM模式的開關(guān)電源,,也可以通過切換至PFM模式提高待機(jī)效率,即固定開通時間,調(diào)節(jié)關(guān)斷時間,負(fù)載越低,關(guān)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(zhuǎn)換器電路和分別采用PWM和PFM控制方法的效率比較曲線。
PWM→PFM
圖5:PWM→PFM
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(fù)載越低,PFM效率優(yōu)勢越明顯。將待機(jī)信號加在其PW/引腳上,在額定負(fù)載條件下,該引腳為高電平,電路工作在PWM模式,當(dāng)負(fù)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(shí)現(xiàn)PWM和PFM的切換,也就提高了輕載和待機(jī)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(shí)現(xiàn)降低待機(jī)工作頻率,提高待機(jī)效率,可保持控制器一直在運(yùn)作,在整個負(fù)載范圍中,輸出都能被妥善的調(diào)節(jié)。即使負(fù)載從零激增至滿負(fù)載的情況下,能夠快速反應(yīng),反之亦然。輸出電壓降和過沖值都保持在允許范圍內(nèi)?! ?br />
3.4 可控脈沖模式(Burst Mode)
可控脈沖模式,也可稱為跳周期控制模式(Skip Cycle Mode)是指當(dāng)處于輕載或待機(jī)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(huán)節(jié),使得PWM的輸出脈沖周期性的有效或失效,如圖6所示。
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Burst Mode控制信號與驅(qū)動信號圖
圖6:Burst Mode控制信號與驅(qū)動信號圖
這樣即可實(shí)現(xiàn)恒定頻率下通過減小開關(guān)次數(shù),增大占空比來提高輕載和待機(jī)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(nèi)部模塊(如NCP1200,F(xiàn)SD200,L6565和TinySwitch系列芯片)?! ?br />
當(dāng)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(fā)器,使輸出關(guān)閉若干時鐘周期,也即跳過若干個周期,負(fù)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(shè)定值時,跳周期模式才有效?! ?br />
腳的反饋電壓與0.6V/0.5V遲滯比較器比較,由比較結(jié)果控制門極驅(qū)動輸出,我們可根據(jù)此原理用分立元件實(shí)現(xiàn)普通芯片的Burst Mode功能,即檢測次級電壓判斷電源是否處于待機(jī)狀態(tài),通過遲滯比較器,控制芯片輸出。
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(shí)現(xiàn)Burst Mode,上述Burst Signal可由圖1中所示的遲滯比較器產(chǎn)生?! ?br />
4 存在的問題
以上介紹的降頻和Burst Mode方法在提高待機(jī)效率的同時,也帶來一些問題,首先是頻率降低導(dǎo)致輸出電壓紋波的增加,其次如果頻率降至20kHz以內(nèi),可能有音頻噪音。而在Burst Mode的OFF時期內(nèi),如果負(fù)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(dǎo)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。