目前發(fā)達(dá)國家對電器產(chǎn)品功耗方面的要求日益嚴(yán)格，并針對待機(jī)功耗制定了很多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。為了符合這些規(guī)范，很多新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，主要思想是讓開關(guān)電源在負(fù)載很小或空載處于待機(jī)狀態(tài)時能夠以較低開關(guān)頻率操作。本文探討脈沖跳躍模式(pulse skipping)、突變模式(burst mode)及非導(dǎo)通時間調(diào)變(off time modulation)等三種較常用降頻技術(shù)，介紹如何降低開關(guān)頻率以達(dá)到減少待機(jī)功耗的目的。

在環(huán)保意識日益受到重視的綠色時代，有效利用有限的能源已經(jīng)成為人們的共識。歐美國家對于電器產(chǎn)品在空載待機(jī)時的功耗定義了明確的規(guī)范，歐盟(EEC)公布的具體規(guī)定如表1所示，而在美國方面，從2001年7月起該國就規(guī)定政府機(jī)構(gòu)不得購買待機(jī)功耗超過1W的電器產(chǎn)品。 由此可見，在不久的未來，電源轉(zhuǎn)換器低待機(jī)功耗將成為基本要求，這也是電源設(shè)計工程師必須面臨的挑戰(zhàn)。

開關(guān)電源損耗分析

開關(guān)電源的損耗包含導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗以及外圍控制電路損耗，電路不同部分的損耗成因各不相同，因此抑制損耗的方法也有不同。需要用數(shù)學(xué)方程式量化這些損耗，進(jìn)而整理出降低各部分損耗的方法，才能得出具體有效降低整體損耗的方案。 為了討論方便，本文以常用的回掃轉(zhuǎn)換器為例，將各部分損耗以數(shù)學(xué)方程式表示，并列出解決方法。表2、表3及表4分別為導(dǎo)通損耗、切換損耗以及外圍控制電路損耗的原因分析與解決對策。

由這幾張表分析結(jié)果可以很明顯看出，導(dǎo)通損耗和切換損耗與轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率的關(guān)系非常密切，而較高的頻率可以降低轉(zhuǎn)換器對儲能元件(電感與電容)大小的要求。為了降低轉(zhuǎn)換器待機(jī)時的損耗而讓轉(zhuǎn)換器在低負(fù)載或空載時將開關(guān)頻率降低，可以兼顧到元件體積與能量損耗。目前已有多種技術(shù)基于這種概念應(yīng)用到實(shí)際電源管理IC上，以下我們將就其中三種應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)分別介紹其設(shè)計概念與特性。

脈沖跳躍技術(shù)

圖1為脈沖跳躍技術(shù)示意圖。當(dāng)負(fù)載降低時，驅(qū)動功率開關(guān)的開關(guān)脈沖將被遮蔽(即跳過)，部分脈沖被省略也即等效于降低了開關(guān)頻率，可降低高頻開關(guān)帶來的損耗，然而這種降頻方式會造成輸出電壓突降或突升(圖2)。

在回掃轉(zhuǎn)換器里，初級開關(guān)導(dǎo)通時能量儲存在變壓器激磁電感中，開關(guān)截止后，原先儲存的能量被釋放到負(fù)載一側(cè)。儲存在激磁電感中的功率可以表示為

(f_S×V_in²×T_ON²)/(2×L_P)。 當(dāng)負(fù)載降低到一定程度時，脈沖跳躍機(jī)制將使有效開關(guān)頻率減半，這意味著轉(zhuǎn)換器供應(yīng)負(fù)載的功率減半，因此回掃電路將增加脈沖寬度以補(bǔ)足輸出負(fù)載所需要的功率，而在脈沖寬度增加到負(fù)載所需功率之前，輸出電壓將產(chǎn)生突降。相反的情形發(fā)生在等效開關(guān)頻率增加時，輸出電壓將發(fā)生突升。這種負(fù)載變動時輸出電壓突升與突降是開關(guān)頻率非連續(xù)變動(以整數(shù)倍增加或降低)的必然結(jié)果。

突變模式

突變模式技術(shù)又稱打嗝模式(hiccup mode)或周期省略模式(圖3)。在負(fù)載很大情況下，回掃電路根據(jù)輸出電壓變化來調(diào)制脈沖寬度。 當(dāng)負(fù)載降低到一定程度時，控制電路將維持原有脈沖寬度，轉(zhuǎn)而周期性跳過部分脈沖，控制電路通過降低總脈沖寬度或增加遮蔽周期長度達(dá)到降低損耗的目的。該技術(shù)有兩個明顯的缺點(diǎn)，即低頻干擾會和遮蔽周期一起出現(xiàn)，而且負(fù)載突然改變也會造成輸出電壓突降。

非導(dǎo)通時間調(diào)制技術(shù)

圖4顯示了非導(dǎo)通時間調(diào)制的基本原理。當(dāng)負(fù)載改變時，開關(guān)頻率將連續(xù)降低或增加，開關(guān)頻率與輸出功率的關(guān)系如圖5所示。低負(fù)載或空載時這種連續(xù)調(diào)變降低開關(guān)頻率的方式除了可以有效降低能量損失外，還可以避免前兩種方法中輸出電壓突升或突降的問題。

起動電路損耗

起動電路損耗在電源轉(zhuǎn)換器空載待機(jī)損耗中占很高的比例，此處我們介紹一種起動速度快且損耗低的起動電路。圖6(a)為傳統(tǒng)起動電路，其中VSTA是脈寬調(diào)制控制器起始臨界電壓，T_{D_ON}是啟動延遲時間，T_{D_ON}=(C1×VSTA)/IC1。使用較大輸入電阻(Rin)可以有效降低電阻損耗，但啟動延遲時間會延長。因此建議采用圖6(b)電路，其中C1電容較小，這樣在用大輸入電阻時能夠降低起動電路的損耗，同時仍然擁有較快起動速度。較大的C2電容可提供穩(wěn)定的電壓給控制器使用，不會增加起動延遲時間。

圖7是一個輸入電壓90～264Vrms、輸出為12V/5A的交流-直流轉(zhuǎn)換器，使用的控制芯片為SG6841，采用BiCMOS工藝，其非導(dǎo)通時間調(diào)變在負(fù)載降到20%時開始起作用，輸入電阻為3MΩ。表5列出了主要的量測結(jié)果，在空載情況下，開關(guān)頻率設(shè)計在2到8KHz之間，可以降低音頻干擾。

相關(guān)鏈接

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作者：陳佐民博士

高級工程師

崇貿(mào)科技公司