降低外部電源單元的功耗

“綠色”電源挾著充分優(yōu)勢(shì)在功率電子行業(yè)中普及使用。電子設(shè)備的日益增多為全國(guó)供電網(wǎng)帶來(lái)了不斷增長(zhǎng)的壓力。此外，節(jié)省能源的需求刻不容緩。政府機(jī)構(gòu)和公共事業(yè)企業(yè)正在制定一系列規(guī)范，積極鼓勵(lì)工程師開(kāi)發(fā)功效更高的電子產(chǎn)品，尤其是在使用外部電源時(shí)。半導(dǎo)體企業(yè)正通過(guò)不斷推出降低待機(jī)功耗、提高效率的新產(chǎn)品，在協(xié)助廠商符合這些規(guī)范的過(guò)程中起著越來(lái)越重要的作用。

筆記本電腦、打印機(jī)、調(diào)制解調(diào)器、電池充電器等等，需要外部電源的產(chǎn)品形形式式，不能盡錄。盡管其中許多產(chǎn)品各自消耗的功率甚微，但大量的產(chǎn)品加在一起使用，如因功效提高而節(jié)省的能源就非?？捎^了。據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署 (US Environmental Protection Agency) 能源之星計(jì)劃 (Energy Star program) 估計(jì)，若提高這些電源的效率，每年便可節(jié)省可達(dá)320億千瓦小時(shí)的能源。

這些產(chǎn)品即使在待機(jī)狀態(tài)或處于“睡眠”模式時(shí)，為了保持產(chǎn)品接通和運(yùn)行所需的各項(xiàng)功能，仍然需要消耗功率。能源之星計(jì)劃是在90年代末期展開(kāi)，旨在通過(guò)提高各種消費(fèi)電子產(chǎn)品待機(jī)時(shí)的效率來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。2001年，該計(jì)劃隨著1瓦倡議 (One Watt Initiative) 的推出而進(jìn)一步擴(kuò)大，1瓦功耗已成為眾多交流電網(wǎng)供電家用產(chǎn)品和消費(fèi)產(chǎn)品的待機(jī)功耗限定值。而這一限制正越來(lái)越嚴(yán)格，對(duì)外部電源而言目前的待機(jī)功耗更需要小于1瓦。

能源之星計(jì)劃對(duì)外部電源的定義是：把交流電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為單路直流或交流低輸出電壓的獨(dú)立于終端產(chǎn)品的設(shè)備。為滿足能源之星的認(rèn)證要求，產(chǎn)品必需滿足在正常工作狀態(tài)，待機(jī)狀態(tài)以及空載狀態(tài)的效率要求。能源之星對(duì)空載的定義是：電源輸入端連接到交流電網(wǎng)上，而輸出端不連接負(fù)載。比如，手機(jī)拔離了充電器，但充電器仍然插在交流電源插座上。表 1 和表 2 (1) 對(duì)這些規(guī)范進(jìn)行了總結(jié)。 

 

表中，Ln 代表自然對(duì)數(shù)。根據(jù)能源之星的外部電源測(cè)試方法，在工作狀態(tài)中輸出電流分別為額定電流的 100%、75%、50% 和 25% 時(shí)對(duì)效率進(jìn)行測(cè)試，然后算出這四個(gè)數(shù)值的算術(shù)平均值 (2)，在此基礎(chǔ)上，利用表 1 列出的公式，即可計(jì)算出最小平均效率。

設(shè)計(jì)工程師必須選定最具成本效益的方法來(lái)滿足上述要求。不久之前，獲得所需功率的簡(jiǎn)單易行、別具成本效益的方法是采用笨重的60 Hz變壓器的降壓線性穩(wěn)壓器。然而，這種方案不能滿足上述新規(guī)范。因此，大多數(shù)外部電源都采用開(kāi)關(guān)模式電源來(lái)提高效率。在外部電源所需的功率級(jí)方面，反激式轉(zhuǎn)換器是常見(jiàn)的拓?fù)溥x擇。

圖1所示為采用了飛兆半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān) (FPS™) 的普通輸出反激式電源的模塊示意圖。 

               
圖1.  采用FPS的反激式轉(zhuǎn)換器示意圖

這種方案在同一個(gè)封裝中集成了高壓FET與控制器，減少了外部元件數(shù)目，從而節(jié)省成本和PCB板面積。采用成熟的固定頻率反激式轉(zhuǎn)換器，較之舊有60 Hz變壓器方案，效率可得到大幅度提高。利用 60 Hz變壓器和降壓線性調(diào)節(jié)器，效率一般在45-50% 范圍；而反激式開(kāi)關(guān)模式電源的效率通?？蛇_(dá) 75-85%。不過(guò)，有些方法可以提高傳統(tǒng)固定頻率反激式轉(zhuǎn)換器的效率。

例如，可以通過(guò)用準(zhǔn)諧振技術(shù)取代標(biāo)準(zhǔn)固定頻率開(kāi)關(guān)電源來(lái)提高效率。準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)模式電源可通過(guò)減小主開(kāi)關(guān)FET的開(kāi)關(guān)損耗來(lái)提高效率。利用準(zhǔn)諧振技術(shù)，較之標(biāo)準(zhǔn)固定頻率硬開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器，效率可提高5%。為了更好地理解這一點(diǎn)，我們先回顧一下硬開(kāi)關(guān)變換器的工作過(guò)程。圖2顯示了傳統(tǒng)反激式轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)波形。 
 
圖2.  硬開(kāi)關(guān)反激式轉(zhuǎn)換器的MOSFET波形

在傳統(tǒng)的反激式轉(zhuǎn)換器中，當(dāng)FET關(guān)斷時(shí)，電路周圍的各種寄生電容包括FET的 Coss、變壓器電容和反射二極管電容等，會(huì)進(jìn)行充電。當(dāng)FET導(dǎo)通時(shí)，這些寄生電容會(huì)通過(guò)FET放電，產(chǎn)生很大的電流尖峰。而該電流尖峰會(huì)造成開(kāi)關(guān)損耗。不過(guò)，在準(zhǔn)靜態(tài)轉(zhuǎn)換器中，可利用控制器檢測(cè)FET的漏源電壓，并在漏源電壓達(dá)到第一個(gè)最小值或谷底時(shí)啟動(dòng)FET。結(jié)果是準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率與振蕩器無(wú)關(guān)，而是和初級(jí)線圈電感、諧振電容、輸入電壓及輸出功率有關(guān)。圖3顯示了該準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)的工作過(guò)程。 
 
圖3.  準(zhǔn)諧振狀態(tài)下MOSFET的源漏電壓

準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)的結(jié)果是大大減小電流尖峰，從而降低開(kāi)關(guān)損耗、提高效率，同時(shí)還減少EMI信號(hào)。在某些電源設(shè)計(jì)中，甚至可能獲得零電壓開(kāi)關(guān)。除提高效率之外，開(kāi)關(guān)FET中的應(yīng)力也得到減輕，因而提高了可靠性。飛兆半導(dǎo)體擁有一系列專門針對(duì)不同功率需求而設(shè)計(jì)的準(zhǔn)諧振功率開(kāi)關(guān)。

提高待機(jī)模式下的效率方法不太多，通常都類似于降頻技術(shù)，因?yàn)樨?fù)載減小時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗在總體損耗中所占的比例增大。由于初級(jí)端FET及輸出二極管的開(kāi)關(guān)損耗與頻率有直接關(guān)系，故通過(guò)降低頻率可以降低損耗。如果反激式電源工作在斷續(xù)電流模式 (DCM)下，由于二極管上的電流在其上電壓反向之前降至零，輸出二極管的開(kāi)關(guān)損耗相當(dāng)?shù)?。初?jí)端FET中的損耗可由式1估算。 


上式中，VDS是漏源電壓，fSW是開(kāi)關(guān)頻率，IDSpk是轉(zhuǎn)換時(shí)的峰值漏極電流，tSWon 和 tSWoff是轉(zhuǎn)換時(shí)間。從式1可見(jiàn)，開(kāi)關(guān)損耗隨開(kāi)關(guān)頻率的減小而減小。許多最新的數(shù)字存儲(chǔ)示波器都具有測(cè)量開(kāi)關(guān)器件功耗的能力。在獲得漏極電流和漏源電壓之后， 示波器的先進(jìn)數(shù)學(xué)功能可以推算出器件的總體功耗。

為了提高待機(jī)效率，F(xiàn)PS采用了間歇工作模式方法來(lái)降低頻率。圖4顯示了FPS是如何在待機(jī)模式下工作的。 

 
圖4.  FPS的間歇工作模式

產(chǎn)品負(fù)載減小時(shí)，反饋電壓Vfb也隨之減小。當(dāng)反饋電壓低于500mV時(shí)，器件自動(dòng)進(jìn)入間歇工作模式。主器件的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換仍在繼續(xù)，但內(nèi)部限流降低以限制變壓器中的磁通密度。隨反饋電壓繼續(xù)下降，轉(zhuǎn)換繼續(xù)進(jìn)行。一旦反饋電壓達(dá)到350 mV，轉(zhuǎn)換停止，電源的輸出電壓以某個(gè)由負(fù)載電流決定的速率下降。這反過(guò)來(lái)又使反饋電壓上升。當(dāng)Vfb上升到500 mV時(shí)，轉(zhuǎn)換恢復(fù)，過(guò)程重復(fù)，反饋電壓又開(kāi)始下降。這種間歇工作模式的最終結(jié)果是大幅降低待機(jī)功耗。飛兆半導(dǎo)體的FSDH321就是一個(gè)實(shí)例，該器件在帶0.3W負(fù)載時(shí)輸入功率只有0.65 W。

降低待機(jī)功耗的另一個(gè)方法是減小啟動(dòng)電阻的功耗。由于使用了啟動(dòng)電阻，只要電源接通交流電源，電阻就會(huì)消耗功率，除非采用了昂貴的斷路電路。但大多數(shù)FPS器件都不需要啟動(dòng)電阻。由于器件內(nèi)置有高壓電流源，這種功耗會(huì)被減小。系統(tǒng)啟動(dòng)之后，電流源從高壓直流電網(wǎng)斷開(kāi)，這樣就節(jié)省了能源。

參考文獻(xiàn)
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2.    Calwell Chris, Foster Suzanne, Reeder Travis; Ecos Consulting; Mansoor Arshad; Power Electronics Application Center (EPRI-PEAC); Test Method for Calculating Energy Efficiency of Single Voltage External Ac-Dc and Ac-Ac Power Supplies, August 11, 2004, page 9.