數(shù)字電源技術(shù)助力實現(xiàn)高效率電源

引言
       為推廣高效率節(jié)能產(chǎn)品，越來越多的國家和地區(qū)紛紛發(fā)布了各種節(jié)能規(guī)范和標準。例如，國際能源署（IEA）所倡導(dǎo)“1W計劃”，美國環(huán)保署（EPA）的“能源之星”計劃，以及中國節(jié)能產(chǎn)品認證中心（CECP）所制定的規(guī)章等都把節(jié)能環(huán)保放在重要位置。如何提高電源的效率，是目前電源設(shè)計中面臨的重要課題。數(shù)字電源技術(shù)的出現(xiàn)為提高電源的效率提供了新的方法。 ADP1043是ADI公司推出的一款針對高端服務(wù)器、存儲器以及通信設(shè)備等電源所設(shè)計的數(shù)字電源控制器，可支持多種拓撲結(jié)構(gòu)，并利用直觀的圖形用戶界面（GUI）無需用語言進行編程，便可在幾分鐘之內(nèi)配置包括頻率、時序、電壓設(shè)置與保護限制等系統(tǒng)電源參數(shù)。圖1所示為ADP1043的典型應(yīng)用電路。其所采用的數(shù)字電源技術(shù)可幫助實現(xiàn)高效率電源。
 

圖1 ADP1043典型應(yīng)用電路
 
同步整流技術(shù)
     同步整流技術(shù)是指用導(dǎo)通電阻較低的MOSFET來替代整流二極管，從而達到降低整流損耗、提高效率的目的。在同步整流技術(shù)中，為避免交叉導(dǎo)通的危險，在主開關(guān)與同步整流開關(guān)的驅(qū)動信號之間必須設(shè)定一定的死區(qū)時間。在死區(qū)時間內(nèi)，電感電流流過同步整流MOSFET的體二極管。而這個體二極管一般會具有較高的前向?qū)妷篤F，在死區(qū)時間較大時，會造成較大的損耗。因此，為最大限度地提高效率，要求死區(qū)時間盡可能小。但是在傳統(tǒng)的模擬方案中，自驅(qū)動型除了應(yīng)用的限制外，還很難提供精確的控制時序；對于外驅(qū)動型，由于其參數(shù)是由電阻、電容等無源器件進行設(shè)定，存在誤差、老化、溫漂等問題，為保證有足夠的余量，死區(qū)時間也不可能設(shè)置得很小。因此，ADP1043的數(shù)字方案是很好的選擇。
     圖2所示為ADP1043在全橋拓撲電路下的PWM和SR的GUI設(shè)置界面。通過設(shè)置T9、T10、T11和T125便可精確獲得同步整流MOSFET所需的死區(qū)時間，其中每次調(diào)整的最小時間為5ns。
圖2 PWM和SR的GUI設(shè)置界面

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伏秒平衡控制技術(shù)
      在傳統(tǒng)的橋式拓撲電路中，一般為防止變壓器的偏磁，會在變壓器的原邊回路中串入一個隔直電容器。這樣做存在缺點，一方面是增加了電源的成本和體積，另一方面又增加了損耗，降低了效率。ADP1043采用伏秒平衡控制的數(shù)字技術(shù)解決了該問題。
如圖3所示，在每個開關(guān)周期中，ADP1043通過CS1分別測量流過開關(guān)管A、D和開關(guān)管B、C的電流并計算其差值，通過差值信號調(diào)節(jié)驅(qū)動信號OUTB和OUTD的脈寬，對失衡進行補償。例如，如圖4所示，當CS1測量到流過開關(guān)管B、 C的電流大于開關(guān)管A、D時，便會減小OUTB的脈寬，增大OUTD的脈寬，這樣流過開關(guān)管B、C的電流會減小，而流過開關(guān)管A、D的電流會增大，經(jīng)過若干周期后，電流自動實現(xiàn)了平衡。采用該技術(shù)后，可有效防止偏磁，并且省去隔直電容器，提高效率和可靠性。


 
圖3 伏秒平衡控制技術(shù)
圖4 伏秒平衡控制波形
動態(tài)死區(qū)控制技術(shù)
      在傳統(tǒng)模擬方案中，一般設(shè)定一個足夠長的固定的死區(qū)時間可確保電源工作在所有條件下。但是對于一個典型的應(yīng)用環(huán)境，這個死區(qū)時間往往比所需的時間長，由于在死區(qū)時間，是MOSFET的體二極管在導(dǎo)通電流，所以較長的死區(qū)時間會增加損耗，降低電源的效率。ADP1043可根據(jù)負載的情況，動態(tài)調(diào)節(jié)死區(qū)的大小，從而使電源在輕載和滿載時的效率得以優(yōu)化。
       
改善輕載效率
    除了提高電源在重載下的效率，改善電源輕載時的效率也同樣至關(guān)重要。這是因為在電源壽命的絕大部分時間內(nèi)，工作負荷一般低于60%，電源很少在滿負荷下(100%)長時間工作，在滿載時能高效工作的系統(tǒng)并不能保證在輕載時也同樣保持最佳狀態(tài)。傳統(tǒng)的模擬方案為改善輕載效率，往往需要大規(guī)模改變或增加控制電路，增加了控制的復(fù)雜性，降低了電源的可靠性。而ADP1043所提供的數(shù)字控制技術(shù)，無需增加新的控制電路就能輕易的切換控制策略，這對于模擬電路來說幾乎是不可能的。
跳周期控制技術(shù)
一般來說，開關(guān)電源在重載時，其損耗主要是功率開關(guān)管的導(dǎo)通損耗。而在輕載時，開關(guān)管的開關(guān)損耗和磁損占主導(dǎo)地位。因此，降低開關(guān)管在輕載時的開關(guān)頻率就能明顯降低損耗，提高電源輕載時的效率。跳周期控制技術(shù)就是一種有效的方法。
通常當電源從滿載一直減小時，其工作模式會從連續(xù)電流模式（CCM）進入到非連續(xù)電流模式（DCM），這時為了維持輸出電壓的調(diào)節(jié)，開關(guān)管的導(dǎo)通時間將會減小。如果一直繼續(xù)減小負載，開關(guān)管的導(dǎo)通時間就會到達最小導(dǎo)通時間。在達到最小導(dǎo)通時間后，如果仍繼續(xù)減小負載，調(diào)節(jié)器必須屏蔽掉一些開關(guān)脈沖，以維持輸出電壓的調(diào)節(jié)。這時一個脈沖將對輸出電容充電維持足夠的輸出能量，而在接下來的幾個脈沖被調(diào)節(jié)器屏蔽，不驅(qū)動開關(guān)管，當輸出電壓降到調(diào)節(jié)器的閾值電壓以下時，一個新的脈沖開始。這樣，在維持輸出穩(wěn)定的前提下減少了開關(guān)次數(shù)，降低了開關(guān)損耗，從而極大的提高輕載的效率。
通過ADP1043的GUI可以設(shè)置開關(guān)管的最大和最小的導(dǎo)通時間和是否啟用跳周期控制技術(shù)，如圖5所示。當所需的導(dǎo)通時間小于設(shè)置的最小導(dǎo)通時間，并且啟用了跳周期控制技術(shù)時，電源進入跳周期的工作模式。

圖5 跳周期控制GUI設(shè)置界面
關(guān)閉同步整流
      當電源采用同步整流時，由于MOSFET的雙向?qū)ǖ奶匦裕沟么藭r的電感電流能夠反向，產(chǎn)生環(huán)流。環(huán)流的大小和輸出濾波電感有關(guān)，輸出濾波電感越小，環(huán)流就會越大，相應(yīng)的損耗也會越大。由于同步整流管不能從連續(xù)電流模式（CCM）自動切換到非連續(xù)電流模式（DCM），因此要在電感電流反向前關(guān)閉同步整流，使電源進入非連續(xù)電流模式（DCM），避免環(huán)流的產(chǎn)生，大大提高電源輕載時的效率。
通過ADP1043的GUI可以設(shè)置關(guān)閉同步整流時的電流閾值。當輸出電流值低于該閾值時，關(guān)閉同步整流。如圖6所示為采用ADP1043設(shè)計的全橋拓撲的模塊電源在不關(guān)閉和關(guān)閉同步整流在輕載條件下的損耗的情況?？梢钥吹?，當關(guān)閉同步整流后，大大減少了電源的輕載損耗。

圖6 兩種模式下的輕載損耗比較[!--empirenews.page--]
切相技術(shù)
       隨著對功率要求越來越大，以及對負載瞬態(tài)響應(yīng)的要求越來越嚴格，用兩個或更多個功率單元進行交錯處理的多相技術(shù)越來越普遍。多相電路相對于單相電路具備明顯的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括輸入紋波電流很低，輸入電容數(shù)量較少；由于輸出紋波頻率的等效倍增，使輸出紋波電壓也降低了；而且由于損耗分布在更多元件中，消除了熱點，降低了元件的溫度；在重載時，開關(guān)管的導(dǎo)通損耗占主導(dǎo)，通過多相并聯(lián)可以很好的降低導(dǎo)通損耗，提高電源在重載時的效率。但是，隨著負載的減少，電路進入輕載狀態(tài)，開關(guān)管的開關(guān)損耗逐漸占主導(dǎo)，此時，輸出由一相供電就已經(jīng)足夠，多相的并聯(lián)反而使開關(guān)損耗成倍增加。因而，在輕載時，僅留一相工作，關(guān)閉多相模式，可以明顯改善電路在輕載時的效率。
     如圖7所示，為采用ADP1043所設(shè)計的交錯式雙管正激電路。當輸出電流值低于通過GUI所設(shè)置的閾值時，ADP1043便會關(guān)閉QA2、QB2的驅(qū)動信號，以減少損耗。圖8所示為采用切相技術(shù)的電源的效率曲線，可以發(fā)現(xiàn)當輸出電流低于10A時，電源工作在單相模式下，效率有了明顯的提高。

 圖7 交錯式雙管正激電路

圖8 采用切相技術(shù)的效率曲線

結(jié)語
ADP1043所提供的數(shù)字電源技術(shù)可以有效提高電源無論是在重載還是在輕載時的效率，實現(xiàn)了高效率電源。