降低外置電源的能量消耗的方法

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

　　政府機構(gòu)和公用事業(yè)公司提出了一系列的法規(guī)和措施，來鼓勵工程師開發(fā)效率更高的產(chǎn)品，尤其是在使用外置電源的時候。要滿足這些法規(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功耗、提高效率的產(chǎn)品來達(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、調(diào)制解調(diào)器、電池充電器等。雖然這些產(chǎn)品的單個功耗不大，但其數(shù)量巨大、使用頻繁，效 率每提高一個百分點所節(jié)約的能源也是非?？捎^的。據(jù)美國環(huán)境保護署的能源之星計劃估算，提高這些產(chǎn)品的電源效率每年可節(jié)能3200萬千瓦時。

　　能源之星計劃始于20世紀(jì)90年代，其目的是通過提高消費類電子產(chǎn)品在關(guān)閉或待機時的效率來節(jié)能。該計劃在2001年進行了擴展，提出了1W議案，要求一些家電和消費類電子產(chǎn)品在接到交流市電并待機時的功耗小于1W。

　　要達(dá)到能源之星的標(biāo)準(zhǔn)，一個產(chǎn)品必須滿足在“開啟”或工作模式，以及“關(guān)閉”或無負(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)請參見表1和表2。

　　表1公式中的Ln指的是自然對數(shù)。能源之星對外置電源的測試方法會在工作模式測量在輸出標(biāo)稱電流的100%、75%、50%、25%時的效率，然后計算四種狀態(tài)下的測試平均值，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足上述要求。僅僅在幾年前，笨重的60Hz變壓器、線性穩(wěn)壓器還被認(rèn)為是容易設(shè)計且性價比高的方 案。然而，這種設(shè)計不能滿足新的標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)外置電源都采用了開關(guān)模式來提高效率。出于對外置電源模塊功率級別的考慮，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關(guān)，如Fairchild Power Switch(FPS)，見圖1。

　　圖1 普通的反激式轉(zhuǎn)換器可以使用集成開關(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)可以減少主開關(guān)FET中的開關(guān)損耗，可以將效率提高最多5%，為更好地理解這一點，可以回顧一下硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器的工作過程，參見圖2。

　　圖2 硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器的MOSFET波形

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

　　然而，在準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器中，控制器會檢測FET的源漏極間的電壓，控制器僅在源漏極間的電壓最小時的第一個波谷處使FET導(dǎo)通，開關(guān)頻率與振蕩器無關(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的電壓波形

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

　　幾種辦法可以提高待機模式的效率，這些方法通常都采用降低開關(guān)頻率的技術(shù)，因為在待機狀態(tài)下，開關(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，輸出二極管的開關(guān)損耗會很低，因為在電壓翻轉(zhuǎn)之前，流過二極管的電流為零。初級側(cè)FET的開關(guān)損耗可以用式(1)來近似計算，其中VDS是漏源電壓，fSW是開關(guān)頻率，IDSpk是峰值耗盡電流，tSWon和tSWoff)是轉(zhuǎn)換時間。

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

　　為改善待機效率，F(xiàn)PS使用了突發(fā)模式來降低待機時的頻率，參見圖4。

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

　　當(dāng)產(chǎn)品的負(fù)載進一步減小，反饋電壓Vfb也會減小。當(dāng)反饋電壓低于500mV時，器件會自動進入突發(fā)模式。

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

　　當(dāng)反饋電壓降低到350mV時，器件將停止開關(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，器件將重新進行開關(guān)，重復(fù)上面的過程。這種突發(fā)模式的好處是可以大幅降低在待機模式下浪費的功率。例如，在驅(qū)動0.3W負(fù)載時，飛兆公司的FSDH321僅從市電網(wǎng)吸收0.65W的功率。

　　降低待機模式和活動模式的另一種辦法是減小消耗在啟動電阻上的功率，因為除非采用昂貴的切斷電路，在將電源接到交流市電時會用到啟動電阻。 大多數(shù)FPS器件的內(nèi)部有一個高壓電流源，因此不需要啟動電阻。在系統(tǒng)啟動之后，電流源與高壓直流部分的連接會被切斷，從而節(jié)約更多的能源。