利用谷值電壓開關(guān)和多工作模式提高AC/DC轉(zhuǎn)換器效率

當(dāng)前在AC/DC應(yīng)用中，電源轉(zhuǎn)換效率和節(jié)能性能的提高變得越來越重要，滿負(fù)載效率在AC/DC電源設(shè)計(jì)中一直是一項(xiàng)主要考慮因素?，F(xiàn)在我們最關(guān)心的是，如何在輕負(fù)載和空負(fù)載時(shí)實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能性能，因?yàn)樵絹碓蕉嗟碾娫催m配器在待機(jī)模式下由電網(wǎng)進(jìn)行供電。由于在全球此類適配器的數(shù)量增長(zhǎng)迅速，因此大家正在開發(fā)新的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。

　　這些新標(biāo)準(zhǔn)概括了對(duì)電源的要求，以在不同的工作模式下進(jìn)行更好的能源利用。為了符合這些新的節(jié)能要求，準(zhǔn)諧振控制和谷值電壓開關(guān)(Valley-Voltage Switching)等技術(shù)，以及包括跳脈沖(pulse-skipping)在內(nèi)的多模式工作模式越來越受到行業(yè)的關(guān)注。其高效性證明了這些技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)AC/DC轉(zhuǎn)換器從空負(fù)載到滿負(fù)載模式優(yōu)化的效率提高和功耗降低。越來越多的綠色模式IC采用了這些技術(shù)以控制不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器。

　　降低待機(jī)功耗

　　當(dāng)前越來越多的AC/DC電源轉(zhuǎn)換器具有取代真實(shí)物理電源開關(guān)的待機(jī)模式。也就是說，在它們的主要功能不工作的時(shí)候，電氣設(shè)備仍存在功耗。最常見的待機(jī)功耗出現(xiàn)于諸如使用遙控的電視機(jī)和視頻設(shè)備、無繩電話和無線路由器等具有外部低壓電源的電子設(shè)備、復(fù)印機(jī)和打印機(jī)等辦公設(shè)備，以及用于膝上型電腦的電池充電器等設(shè)備的應(yīng)用。待機(jī)模式下單個(gè)轉(zhuǎn)換器的實(shí)際功耗很小，通常是0.3到20W。然而，待機(jī)功耗每時(shí)每刻都在發(fā)生，且此類設(shè)備數(shù)量眾多，因此全球范圍內(nèi)的待機(jī)功耗是以指數(shù)級(jí)快速上升的。若將所有功耗匯總起來，則這些很低的功耗數(shù)值將相當(dāng)可觀。據(jù)估計(jì)，在歐盟待機(jī)功耗已經(jīng)占了家庭和辦公用電量的10%，在美國(guó)大約占總用電量的4%。

　　為了降低待機(jī)功耗并提高整體負(fù)載范圍，國(guó)際上正在制訂新的標(biāo)準(zhǔn)。其中，美國(guó)環(huán)?？偸?EPA)的“能源之星”是國(guó)際認(rèn)可度最高的標(biāo)準(zhǔn)之一。能源之星包含了廣泛的不斷完善的標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)在空負(fù)載和輕負(fù)載條件下的節(jié)能，在標(biāo)準(zhǔn)工作模式下更高的效率，更少的總諧波失真(THD)以及一致的單位功率因數(shù)(PF)。表1就是正在制定的這些標(biāo)準(zhǔn)的其中一個(gè)例子，顯示了單一電壓外部AC/DC和AC/AC電源的能源之星標(biāo)準(zhǔn)。

表1：外部AC/DC和AC/AC電源的能源之星標(biāo)準(zhǔn)。

　　新型電源架構(gòu)和控制技術(shù)的提議和制定應(yīng)符合這些新標(biāo)準(zhǔn)，有源鉗位和復(fù)位、轉(zhuǎn)移模式和交錯(cuò)式多相PFC、跳脈沖、準(zhǔn)諧振控制和谷值電壓開關(guān)僅僅是其中的幾個(gè)例子。其中，帶準(zhǔn)諧振控制或谷值電壓開關(guān)和跳脈沖的反激式變換器是最出色的技術(shù)解決方案之一。反激式變換器由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、器件數(shù)量少、易于控制、支持多種輸出電壓軌等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類電子應(yīng)用。為了提高效率和節(jié)約能源，同樣配置的反激式變換器可用軟開關(guān)進(jìn)行操作，比如準(zhǔn)諧振控制。配置有軟開關(guān)時(shí)，會(huì)降低功耗。由于準(zhǔn)諧振控制，一次主開關(guān)具有低很多的啟動(dòng)電壓。先前充到開關(guān)電容的能源將重新流回電源，從而極大提高效率。相對(duì)而言，硬開關(guān)的CCM和DCM模式都會(huì)有很高的啟動(dòng)損耗。為在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)更好地降低功耗，反激式變換器可在不同模式下工作，比如頻率返送模式(FFM)和綠色模式，具體的工作模式視不同的負(fù)載條件而定。在FFM模式下，開關(guān)頻率隨著負(fù)載的降低而降低—從而減少開關(guān)損耗。當(dāng)負(fù)載很小時(shí)(磁滯模式，也稱為綠色模式或猝發(fā)工作模式)，使用跳脈沖技術(shù)來啟動(dòng)反激式變換器。跳脈沖減少了開關(guān)損耗并在輕負(fù)載和空負(fù)載時(shí)實(shí)現(xiàn)了更佳的低功耗模式。對(duì)于具有前端PFC預(yù)調(diào)節(jié)器的應(yīng)用而言，可以在負(fù)載很小時(shí)關(guān)閉PFC工作模式以節(jié)約更多的能源。

　　反激式控制IC就是利用這些技術(shù)開發(fā)的。比如，TI最近推出的UCC28600準(zhǔn)諧振綠色模式反激式控制器就是此類IC的一種。它在反激式變換器中的典型配置如圖1所示。下文中我們將進(jìn)一步討論這些技術(shù)是如何提高AC/DC轉(zhuǎn)換器的效率并優(yōu)化節(jié)能的。

圖1：UCC28600的典型應(yīng)用。

　　準(zhǔn)諧振控制和谷值電壓開關(guān)

　　準(zhǔn)諧振控制描述的是一款工作在臨界傳導(dǎo)模式下具有零電壓開關(guān)(ZVS)或谷值電壓開關(guān)(VVS)的反激式變換器。造成ZVS/VVS的是LC諧振，主要來自反向變壓器的初級(jí)繞組電感和初級(jí)主MOSFET開關(guān)(CDS)兩端總的等效電容。MOSFET兩端的電壓在諧振開關(guān)過程中降低。反激式控制器檢測(cè)到電壓下降并在谷值點(diǎn)啟動(dòng)一次開關(guān)，如圖2所示。

圖2：準(zhǔn)諧振控制和谷值電壓開關(guān)。[!--empirenews.page--]

　　谷值電壓有兩種不同的情況：

　　  (方程1)

　　其中，N為變壓器匝數(shù)比。在該條件下，得到的次級(jí)電壓足夠高，能使初級(jí)電壓VDS為零。因此，初級(jí)側(cè)MOSFET可以在其兩端為零電壓時(shí)啟動(dòng)。

　　  (方程2)

　　在這一條件下，得到的二次電壓不足以使電壓VDS為零，只是得到了電壓谷值。圖2顯示了準(zhǔn)諧振反激式變換器的典型VVS工作模式。若符合方程1的條件，則谷值電壓將為零，從而獲得ZVS。

　　ZVS/VVS可極大地節(jié)約能源并提高效率.回顧一下電容CDS中存儲(chǔ)的能量和在頻率fS時(shí)的開關(guān)功率，這是很容易理解的：

　　  (方程3)

　　方程3表明，在給定電容的條件下，可通過降低電容兩端的電壓或所使用的開關(guān)頻率來降低開關(guān)功率PSW。

　　具有硬開關(guān)的反激式變換器在CDS兩端電壓很高時(shí)啟動(dòng)開關(guān)，從而導(dǎo)致很高的開關(guān)功率。電容CDS中的存儲(chǔ)的能量在下一次啟動(dòng)時(shí)消耗于MOSFET通道電阻，從而造成開關(guān)功率損耗。此類功耗在離線AC/DC應(yīng)用中特別重要，此類應(yīng)用中在線路電壓85到265VAC之間進(jìn)行整流時(shí)產(chǎn)生很高的直流連接電壓。相反，同樣的一個(gè)反激式變換器若處于準(zhǔn)諧振控制和VVS模式下，則可在降低電壓的情況下啟動(dòng)開關(guān)。電壓通過LC諧振降低，因?yàn)榇鎯?chǔ)在電容的能量放電，并重新回到了DC連接電容C BLK ，而不是消耗于MOSFET通道電阻。

　　準(zhǔn)諧振反激式變換器功能可以通過反激式準(zhǔn)諧振控制器實(shí)現(xiàn)。準(zhǔn)諧振控制器在不同比例負(fù)載到額定滿負(fù)載條件下都可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)諧振控制，并可進(jìn)一步分為可變導(dǎo)通時(shí)間控制的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)諧振模式，和固定導(dǎo)通時(shí)間控制(也稱為頻率返送模式)的準(zhǔn)諧振模式。例如，準(zhǔn)諧振控制可以設(shè)計(jì)應(yīng)用于15%負(fù)載到額定滿負(fù)載的范圍，其中，50%到15%的額定負(fù)載時(shí)，控制器工作于FFM。頻率隨負(fù)載減少而降低，以進(jìn)一步減少開關(guān)功耗。從50%負(fù)載到滿負(fù)載，控制器工作在標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)諧振時(shí)隨著負(fù)載的增加頻率也會(huì)降低，以減少開關(guān)功率損耗。通常要有一個(gè)最大的開關(guān)頻率(通常鉗位在150kHz以下)以最小化EMI影響并滿足EMI要求。

　　1． 利用跳脈沖提高效率

　　跳脈沖也稱為綠色模式或猝發(fā)工作模式，可在超輕負(fù)載(待機(jī)模式或空負(fù)載)時(shí)最大程度地節(jié)能。在此類負(fù)載時(shí)，可用極少的開關(guān)事件實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，僅在輸出電壓在調(diào)節(jié)邊界時(shí)才需要開關(guān)動(dòng)作，額外的開關(guān)動(dòng)作會(huì)造成能源浪費(fèi)。例如，每一個(gè)開關(guān)周期中的緩沖電路都會(huì)產(chǎn)生能耗，在跳脈沖間隔期間可消除此類能耗。跳脈沖只有在輸出電壓下降到某一閾值以下時(shí)才進(jìn)行必要的開關(guān)動(dòng)作，此時(shí)初級(jí)側(cè)控制器會(huì)施加一個(gè)脈沖到變壓器，將輸出電壓提高到滯后窗口的上限，以保持對(duì)輸出的調(diào)節(jié)。開關(guān)動(dòng)作隨后停止，使得輸出電壓衰減，達(dá)到滯后窗口的下限，此時(shí)開關(guān)動(dòng)作立即恢復(fù)。通過這種方式消除了所有不必要的開關(guān)能耗。

　　2． 輕負(fù)載時(shí)關(guān)斷PFC以節(jié)能

　　輕負(fù)載時(shí)PFC沒有任何優(yōu)勢(shì)。從本質(zhì)上來說，它所做的一切就是通過偏置和開關(guān)過程產(chǎn)生能耗。輕負(fù)載時(shí)關(guān)斷PFC會(huì)節(jié)省所有這些功率，同時(shí)對(duì)功率因數(shù)造成的影響保持最小。一款正確配置的反激式準(zhǔn)諧振控制器可能有一個(gè)專用引腳實(shí)現(xiàn)此類功能，根據(jù)該引腳的狀態(tài)改變提示，在預(yù)確定的負(fù)載條件下自動(dòng)關(guān)閉PFC。通過增加由一個(gè)二極管和一個(gè)電阻(如圖1中的Ds和Rs)組成的輔助外部電路，此類狀態(tài)引腳也可用作降低初級(jí)側(cè)峰值電流的指示器。這一方面在輕負(fù)載時(shí)有助于通過降低峰值電流的諧波功率—從而降低功耗，另一方面，也可通過降低流過變壓器中的峰值電流減少或消除流可聞噪聲。

　　總結(jié)及實(shí)例

　　總之，更嚴(yán)格的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求創(chuàng)新的電源技術(shù)，電源需要在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)都有很高的效率，并可極大節(jié)約能源?；谪?fù)載條件，操作不同模式下的使用準(zhǔn)諧振控制和跳脈沖技術(shù)的反激式變換器可闡明它對(duì)AC/DC應(yīng)用中的節(jié)能進(jìn)行優(yōu)化的有效性。新開發(fā)的IC(如TI推出的UCC28600)是符合新節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的最優(yōu)解決方案之一。圖3提供了效率的典型測(cè)試結(jié)果，而圖4則顯示了在連接于通用離線輸入(帶單一18Vdc輸出)的65W反激式變換器中使用UCC28600的準(zhǔn)諧振控制和跳脈沖技術(shù)的待機(jī)功率。

圖3：使用UCC28600的65W模塊的效率測(cè)試結(jié)果。

圖4：使用UCC28600的65W模塊的待機(jī)功率測(cè)試結(jié)果。