詳解最大化從滿負(fù)載到空負(fù)載時的AC/DC效率

雖然在AC/DC電源設(shè)計中最大化滿負(fù)載時的電源效率是一個優(yōu)先考慮的因素，但是待機(jī)功耗標(biāo)準(zhǔn)以及新型電源效率標(biāo)準(zhǔn)也隱現(xiàn)出了更多的考慮因素。因此， 除了“高效”這個一般性課題以外，設(shè)計人員還正在努力尋找其他方法來最大化端到端的節(jié)能。事實(shí)上，對于采用 AC 電源適配器的設(shè)計來說，節(jié)約幾毫瓦的功耗是一個特別令人關(guān)注的問題，這一問題正在全球引起廣泛關(guān)注。

準(zhǔn)諧振控制、谷值電壓轉(zhuǎn)換以及多模運(yùn)行(即脈沖跳躍模式)都可提供一種解決方案。在本文中，我們將對當(dāng)今綠色環(huán)保型IC控制器中所采用的一些技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，以最小化轉(zhuǎn)換器整個負(fù)載范圍內(nèi)的能源損耗。

限制待機(jī)功耗

在包括了智能電子產(chǎn)品和“快速”響應(yīng)在內(nèi)的設(shè)計思路中，當(dāng)今的AC/DC電源轉(zhuǎn)換器通常會在待機(jī)模式上耗費(fèi)大量的時間，而且總是存在某種電源漏極。無論我們討論的是遙控電視機(jī)、視頻設(shè)備、無繩電話或無線路由器的外部低壓電源、辦公設(shè)備(復(fù)印機(jī)和打印機(jī))還是諸如筆記本電腦的電池充電器，基本上來說這都是同一個問題。各個轉(zhuǎn)換器在待機(jī)模式下的實(shí)際功耗都是非常低的，通常為 0.3W 到 20W。但是無論待機(jī)功耗有多低，如果你將其與所使用的消費(fèi)類電子工業(yè)產(chǎn)品、商業(yè)和工業(yè)系統(tǒng)的數(shù)量相乘以后得到的合計功耗就變的非常大了。

事際上，待機(jī)功耗所用的電力在歐盟國家的家庭和辦公用電中占到了大約10%，而在美國，待機(jī)功耗所用的電力則為總用電量的 4% 左右。諸如能源之星的開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)主要關(guān)注空負(fù)載和輕負(fù)載時的能源節(jié)約、正常運(yùn)行時的更高效率、更低的總諧波失真 (THD) 并接近單位功率因數(shù) (PF)。上表對外部單電壓AC/DC和AC/AC電源的能源之星標(biāo)準(zhǔn)作了總結(jié)。

滿足標(biāo)準(zhǔn)要求

系統(tǒng)設(shè)計人員如何才能滿足能源之星和其他正在開發(fā)的國際標(biāo)準(zhǔn)呢?他們先后采用了有源鉗位和復(fù)位技術(shù)、轉(zhuǎn)移模式和交錯式多相 PFC 技術(shù)、脈沖跳躍技術(shù)、準(zhǔn)諧振控制技術(shù)以及谷值電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)。采用準(zhǔn)諧振控制、谷值電壓轉(zhuǎn)換以及脈沖跳躍技術(shù)的反向轉(zhuǎn)換器就是其中的一種最佳的解決方案。

表：外部AC/DC與AC/AC電源的能源之星標(biāo)準(zhǔn)

廣泛用于消費(fèi)類電子應(yīng)用的反向轉(zhuǎn)換器不但成本較低、易于控制，而且還可支持多個輸出電壓軌(請參見圖 1，在此應(yīng)用中采用了 UCC28600 準(zhǔn)諧振芯片)。準(zhǔn)諧振控制讓軟開關(guān)的使用變得更輕松，這樣不但提高了效率而且節(jié)約了能源。 在準(zhǔn)諧振運(yùn)行中，次側(cè)主開關(guān)具有非常低的開啟電壓，當(dāng)其處于關(guān)閉狀態(tài)時，電源就會再次產(chǎn)生可以為開關(guān)電容充電的能源。

圖 1、準(zhǔn)諧振反向控制器的典型結(jié)構(gòu)

相反，硬開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中連續(xù)和非連續(xù)電流模式(CCM 和 DCM)運(yùn)行的開啟損耗非常高。為了在整個負(fù)載范圍內(nèi)都實(shí)現(xiàn)較好的能源節(jié)約的目的，根據(jù)負(fù)載條件的不同，反向轉(zhuǎn)換器既可以在頻率返送 (FFM) 模式下運(yùn)行，也可以在脈沖跳躍模式下運(yùn)行。當(dāng)負(fù)載降低時，F(xiàn)FM 電路便立即返回到開關(guān)頻率下工作，從而降低開關(guān)損耗;當(dāng)負(fù)載變得非常輕時，磁滯模式(也稱為綠色模式或突發(fā)模式)便開始工作以啟動脈沖跳躍。脈沖跳躍不但可以降低輕負(fù)載和空負(fù)載時的開關(guān)損耗，而且還可以實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能效果。[!--empirenews.page--]

對于具有前端 PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器的應(yīng)用而言，在非常輕的負(fù)載時，關(guān)閉PFC運(yùn)行可節(jié)約更多的能源。

電路

準(zhǔn)諧振控制是對運(yùn)行在臨界導(dǎo)電模式(CrCM)下采用零電壓開關(guān)(ZVS)或谷值開關(guān)(VVS)技術(shù)的反向轉(zhuǎn)換器的描述。ZVS/VVS運(yùn)行是由反向變壓器一次側(cè)繞組電感和一次側(cè)主MOSFET開關(guān)(CDS)的總等效電容形成的LC諧振引起的。在諧振開關(guān)切換過程中，MOSFET 兩端的電壓會下降。反向轉(zhuǎn)換器檢測到該下降并在谷值點(diǎn)開啟一次側(cè)開關(guān)。谷值電壓開關(guān)必須滿足兩個條件，第一個條件是：Vin≤ N (Vout + VD )

其中，N為變壓器匝比。在這種條件下，二次側(cè)反射電壓 (reflected secondary voltage) 非常高，足以促使一次側(cè)VDS電壓變?yōu)?。因此，0V電壓就可以將一次側(cè)MOSFET開關(guān)開啟;第二個條件是：Vin > N(Vout + VD )，在此條件下，二次側(cè)反射電壓不能將VDS電壓轉(zhuǎn)為 0V。相反，我們得到了一個“電壓谷值”。圖 2 顯示了準(zhǔn)諧振反向轉(zhuǎn)換器的典型VVS運(yùn)行。如果滿足了第一個公式的條件，那么谷值電壓就會被擴(kuò)展到0V。于是，我們就實(shí)現(xiàn)了0電壓開關(guān)。

圖 2、準(zhǔn)諧振控制與谷值電壓開關(guān)

ZVS/VVS不僅大大節(jié)約了能源，而且還提高了效率。對于一個給定的電容而言，開關(guān)電源Psw由電容器兩端的電壓CDS以及開關(guān)頻率fs決定：Psw = 0.5 CDS VDS2 fs，采用硬轉(zhuǎn)換的反向轉(zhuǎn)換器將在高電壓時開啟開關(guān)，從而獲得高壓開關(guān)電源。在下一個開關(guān)周期中，儲存在電容器CDS中的能量將由MOSFET通道電阻消耗掉，從而表現(xiàn)為開關(guān)功率損耗。這樣的功率損耗在離線AC/DC應(yīng)用中尤其顯著，在該應(yīng)用中高DC鏈路電壓是由整流85-285 VAC線電壓引起的。

相反，如果運(yùn)行在采用谷值開關(guān)的準(zhǔn)諧振模式下，相同的反向轉(zhuǎn)換器將在較低電壓時開啟開關(guān)。當(dāng)儲存在電容器中的能量被釋放并再循環(huán)至 (recycle back) DC鏈路電容器CBLK，而并非由MOSFET通道電阻消耗掉時，則電壓將通過LC諧振被降低。

在通常的反向運(yùn)行中，從小負(fù)載到滿負(fù)載范圍的準(zhǔn)諧振控制意味著多模運(yùn)行模式，以實(shí)現(xiàn)最佳的效率。即我們將轉(zhuǎn)換器運(yùn)行細(xì)分為兩種模式：具有可變開啟時間變化的正常準(zhǔn)諧振模式以及前面所提到的具有恒定開啟時間的頻率返送 (FFM) 模式。例如，一款準(zhǔn)諧振控制可能設(shè)計用于15%到50%的負(fù)載范圍內(nèi)運(yùn)行，期間其一直處于FFM模式運(yùn)行。隨著負(fù)載的降低，頻率逐漸下降，從而開關(guān)電源損耗進(jìn)行一步降低。從50%負(fù)載到滿負(fù)載，控制器會隨著負(fù)載的增加而消減其頻率。通常，開關(guān)頻率被控制在150 kHz以下，以最小化EMI并滿足 EMI 要求。

脈沖跳躍

脈沖跳躍(也稱為綠色模式或突發(fā)模式)在超輕負(fù)載時提供了最佳的節(jié)能效果。在該負(fù)載級別，保持輸出電壓穩(wěn)定是較容易的。因此，只有當(dāng)電壓趨于不穩(wěn)定時才發(fā)生開關(guān)轉(zhuǎn)換，額外的開關(guān)動作只會造成能源浪費(fèi)。例如，在耗能的緩沖電路中，每個開關(guān)周期上都浪費(fèi)了大量的能量。如果我們使用脈沖跳躍的話，就可以避免這種能源浪費(fèi)。

只有在輸出電壓下降至一定閾值以下時，脈沖跳躍才開始進(jìn)行開關(guān)轉(zhuǎn)換。在此期間，一次側(cè)的控制器將一個脈沖群 (pulse packet) 接入到了變壓器，從而將輸出電壓提高至磁滯窗口的上限以保持輸出電壓穩(wěn)定，然后開關(guān)電路將被開啟。當(dāng)輸出電壓再一次接近磁滯窗口的下限時，該校正電路就會恢復(fù)到工作狀態(tài)。

在輕負(fù)載時關(guān)閉PFC以節(jié)約能源

功率因數(shù)校正(PFC)在輕負(fù)載時不能帶來實(shí)際的好處。從本質(zhì)上來說，所有電路都有一定的功耗。一款結(jié)構(gòu)合理的反向準(zhǔn)諧振控制器可能會含有一個專用引腳，以方便地實(shí)施該功能并在預(yù)定的負(fù)載條件下自動關(guān)閉PFC電路。通過添加一個較小的外部電路(包括一個二極管和一個電阻器，例如圖1所示的 Ds 和 Rs)，設(shè)計人員可以使用狀態(tài)引腳作為一個指示器，以降低一次側(cè)峰值電流。這種設(shè)計技術(shù)有助于降低輕負(fù)載時的諧波功耗，從而降低功率損耗。此外，我們還可降低音頻噪聲。[!--empirenews.page--]

圖 3、準(zhǔn)諧振反向轉(zhuǎn)換器的典型效率

圖 4、準(zhǔn)諧振反向轉(zhuǎn)換器的典型待機(jī)功耗

總之，反向轉(zhuǎn)換器通過使用準(zhǔn)諧振控制和脈沖跳躍技術(shù)將在整個負(fù)載范圍內(nèi)保持高效率。圖3和圖4 顯示了一款65W反向轉(zhuǎn)換器的典型的最佳測試結(jié)果。

圖 3 顯示了準(zhǔn)諧振反向轉(zhuǎn)換器的典型效率，而圖 4 則顯示了脈沖跳躍如何最小化待機(jī)功耗時的損耗。