如何降低外置電源的能量消耗

　節(jié)能設(shè)計(jì)正在席卷整個(gè)電子行業(yè)。電子設(shè)備的廣泛使用對(duì)電網(wǎng)的壓力越來(lái)越大，因此節(jié)能就顯得非常有必要了。

　　政府機(jī)構(gòu)和公用事業(yè)公司提出了一系列的法規(guī)和措施，來(lái)鼓勵(lì)工程師開(kāi)發(fā)效率更高的產(chǎn)品，尤其是在使用外置電源的時(shí)候。要滿(mǎn)足這些法規(guī)，半導(dǎo)體公司將發(fā)揮關(guān)鍵作用，它們不斷推出可降低待機(jī)功耗、提高效率的產(chǎn)品來(lái)達(dá)到法規(guī)的要求。

　　使用外置電源的產(chǎn)品非常廣泛，如筆記本電腦、打印機(jī)、調(diào)制解調(diào)器、電池充電器等。雖然這些產(chǎn)品的單個(gè)功耗不大，但其數(shù)量巨大、使用頻繁，效 率每提高一個(gè)百分點(diǎn)所節(jié)約的能源也是非常可觀的。據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署的能源之星計(jì)劃估算，提高這些產(chǎn)品的電源效率每年可節(jié)能3200萬(wàn)千瓦時(shí)。

　　能源之星計(jì)劃始于20世紀(jì)90年代，其目的是通過(guò)提高消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品在關(guān)閉或待機(jī)時(shí)的效率來(lái)節(jié)能。該計(jì)劃在2001年進(jìn)行了擴(kuò)展，提出了1W議案，要求一些家電和消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品在接到交流市電并待機(jī)時(shí)的功耗小于1W。

　　要達(dá)到能源之星的標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)產(chǎn)品必須滿(mǎn)足在“開(kāi)啟”或工作模式，以及“關(guān)閉”或無(wú)負(fù)載(電源已經(jīng)接到交流市電，但未連接設(shè)備)兩種狀態(tài)下的效率標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)參見(jiàn)表1和表2。

　　表1公式中的Ln指的是自然對(duì)數(shù)。能源之星對(duì)外置電源的測(cè)試方法會(huì)在工作模式測(cè)量在輸出標(biāo)稱(chēng)電流的100%、75%、50%、25%時(shí)的效率，然后計(jì)算四種狀態(tài)下的測(cè)試平均值，在此基礎(chǔ)上，再利用表1的公式確定最小的平均效率。

　　現(xiàn)在已經(jīng)有一些具有成本效益的成熟方案可滿(mǎn)足上述要求。僅僅在幾年前，笨重的60Hz變壓器、線(xiàn)性穩(wěn)壓器還被認(rèn)為是容易設(shè)計(jì)且性?xún)r(jià)比高的方 案。然而，這種設(shè)計(jì)不能滿(mǎn)足新的標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)外置電源都采用了開(kāi)關(guān)模式來(lái)提高效率。出于對(duì)外置電源模塊功率級(jí)別的考慮，人們通常選用反激式轉(zhuǎn)換器這種拓 撲，這種拓樸可以使用集成的功率開(kāi)關(guān)，如Fairchild Power Switch(FPS)，見(jiàn)圖1。

　　圖1 普通的反激式轉(zhuǎn)換器可以使用集成開(kāi)關(guān)

　　高電壓FET與控制器封裝在一起，從而減少了器件數(shù)量、成本和電路板面積。使用固定頻率反激式轉(zhuǎn)換器，可以將使用60Hz變壓器的外置電源的效率，從45%～59%提高到75%～85%，而且還有進(jìn)一步提高效率的辦法。

　　例如，采用準(zhǔn)諧振技術(shù)可以減少主開(kāi)關(guān)FET中的開(kāi)關(guān)損耗，可以將效率提高最多5%，為更好地理解這一點(diǎn)，可以回顧一下硬開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的工作過(guò)程，參見(jiàn)圖2。

　　圖2 硬開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的MOSFET波形

　　當(dāng)FET關(guān)斷時(shí)，包括FET的Coss等在內(nèi)的寄生電容、變壓器電容、反射回來(lái)的二極管電容將會(huì)充電。當(dāng)FET重新回到導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，這些寄生電容又會(huì)對(duì)FET放電，由此導(dǎo)致的很大的峰值電流是開(kāi)關(guān)損耗的主要原因。

　　然而，在準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器中，控制器會(huì)檢測(cè)FET的源漏極間的電壓，控制器僅在源漏極間的電壓最小時(shí)的第一個(gè)波谷處使FET導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)頻率與振蕩器無(wú)關(guān)，而是取決于主電感、電容、輸入電壓和輸出功率。圖3顯示了這種方式的工作原理。

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　　圖3 源漏極間的電壓最小時(shí)的電壓波形

　　準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)方式大大削減了電流尖峰，從而也就減小了開(kāi)關(guān)損耗和EMI。采用這種設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)零電壓、高效率，并減小開(kāi)關(guān)FET上的應(yīng)力。

　　幾種辦法可以提高待機(jī)模式的效率，這些方法通常都采用降低開(kāi)關(guān)頻率的技術(shù)，因?yàn)樵诖龣C(jī)狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)損耗占了總損耗的大部分，并且與頻率直接相關(guān)。

　　如果反激式電源工作在非連續(xù)模式下，輸出二極管的開(kāi)關(guān)損耗會(huì)很低，因?yàn)樵陔妷悍D(zhuǎn)之前，流過(guò)二極管的電流為零。初級(jí)側(cè)FET的開(kāi)關(guān)損耗可以用式(1)來(lái)近似計(jì)算，其中VDS是漏源電壓，fSW是開(kāi)關(guān)頻率，IDSpk是峰值耗盡電流，tSWon和tSWoff)是轉(zhuǎn)換時(shí)間。

　　PSWfet=1/2VDSIDSpk fSW(tSWon=tSWoff) (1)

　　為改善待機(jī)效率，F(xiàn)PS使用了突發(fā)模式來(lái)降低待機(jī)時(shí)的頻率，參見(jiàn)圖4。

　　圖4 準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器的突發(fā)模式減少了對(duì)電源的使用

　　當(dāng)產(chǎn)品的負(fù)載進(jìn)一步減小，反饋電壓Vfb也會(huì)減小。當(dāng)反饋電壓低于500mV時(shí)，器件會(huì)自動(dòng)進(jìn)入突發(fā)模式。

　　主器件仍然會(huì)繼續(xù)工作，但內(nèi)部的電流限值將會(huì)降低，以限值變壓器中的磁通密度。當(dāng)反饋電壓繼續(xù)降低時(shí)，器件仍將繼續(xù)開(kāi)和關(guān)。

　　當(dāng)反饋電壓降低到350mV時(shí)，器件將停止開(kāi)關(guān)，電源的輸出電壓將根據(jù)負(fù)載電流的大小，成比例地降低，從而使反饋電壓升高。

　　當(dāng)Vfb達(dá)到500mV時(shí)，器件將重新進(jìn)行開(kāi)關(guān)，重復(fù)上面的過(guò)程。這種突發(fā)模式的好處是可以大幅降低在待機(jī)模式下浪費(fèi)的功率。例如，在驅(qū)動(dòng)0.3W負(fù)載時(shí)，飛兆公司的FSDH321僅從市電網(wǎng)吸收0.65W的功率。

　　降低待機(jī)模式和活動(dòng)模式的另一種辦法是減小消耗在啟動(dòng)電阻上的功率，因?yàn)槌遣捎冒嘿F的切斷電路，在將電源接到交流市電時(shí)會(huì)用到啟動(dòng)電阻。 大多數(shù)FPS器件的內(nèi)部有一個(gè)高壓電流源，因此不需要啟動(dòng)電阻。在系統(tǒng)啟動(dòng)之后，電流源與高壓直流部分的連接會(huì)被切斷，從而節(jié)約更多的能源。