怎么樣以最小化轉(zhuǎn)換器整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的能源損耗？

導(dǎo)讀：在本文中，我們將對(duì)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(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的能源損耗。

雖然在 AC/DC 電源設(shè)計(jì)中最大化滿負(fù)載時(shí)的電源效率是一個(gè)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(gè)一般性課題以外，設(shè)計(jì)人員還正在努力尋找其他方法來最大化端到端的節(jié)能。

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(jì)思路中，當(dāng)今的 AC/DC 電源 轉(zhuǎn)換器通常會(huì)在待機(jī)模式上耗費(fèi)大量的時(shí)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(gè)問題。各個(gè)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(jì)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(guó)家的家庭和辦公用電中占到了 大約10%, 而在美國(guó)，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(shí)的能源節(jié)約、正常運(yùn)行時(shí)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(duì)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(jì)人員如何才能滿足能源之星和其他正在開發(fā)的國(guó)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(cuò)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。

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(gè)輸出電壓軌（請(qǐng)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(shí)，電源 就會(huì)再次產(chǎn)生可以為開關(guān)電容充電的能源。

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(gè)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(shí)，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(shí)，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(dòng)脈沖跳躍。脈沖跳躍不但可以降低輕負(fù)載和空負(fù)載時(shí)的開關(guān)損耗，而 且還可以實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能效果。

對(duì)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(shí)，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(duì)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(huì)下降。反向轉(zhuǎn)換器檢測(cè)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(gè)條件，第一個(gè)條件是：

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)?0.因此，0V 電壓就可以將 一次側(cè) MOSFET 開關(guān)開啟；第二個(gè)條件是：

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(gè) “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(gè)公式的條件，那么谷值電壓就會(huì)被擴(kuò)展到 0V.于是，我們就實(shí)現(xiàn)了 0 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(duì)于一個(gè)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：

采用硬轉(zhuǎn)換的反向轉(zhuǎn)換器將在高電壓時(shí)開啟開關(guān)，從而獲得高壓開關(guān)電源。在下 一個(gè)開關(guān)周期中，儲(chǔ)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(shí)開啟開關(guān)。當(dāng)儲(chǔ)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(shí)，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(shí) 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(shí)間的頻率返送 （FFM） 模式。例如，一款準(zhǔn)諧振控制可能設(shè)計(jì)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(huì)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(shí)提供了最佳的節(jié)能效果。 在該負(fù)載級(jí)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(shí) 才發(fā)生開關(guān)轉(zhuǎn)換，額外的開關(guān)動(dòng)作只會(huì)造成能源浪費(fèi)。例如，在耗能的緩沖電路 中，每個(gè)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(shí)，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(gè)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(shí)，該校正電路就會(huì)恢復(fù)到工作狀態(tài)。

在輕負(fù)載時(shí)關(guān)閉 PFC 以節(jié)約能源

功率因數(shù)校正 （PFC） 在輕負(fù)載時(shí)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(huì)含有一個(gè)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(dòng)關(guān)閉 PFC 電路。通過添加 一個(gè)較小的外部電路（包括一個(gè)二極管和一個(gè)電阻器，例如圖 1 所示的 Ds 和 Rs），設(shè)計(jì)人員可以使用狀態(tài)引腳作為一個(gè)指示器，以降低一次側(cè)峰值電流。這 種設(shè)計(jì)技術(shù)有助于降低輕負(fù)載時(shí)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。

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(gè)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(cè)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(shí)的損耗。

結(jié)束語

事實(shí)上，對(duì)于采用 AC 電源適配器的設(shè)計(jì)來說，節(jié)約幾毫瓦的功耗 是一個(gè)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。