如何降低开关电源的功耗

一、引言
  随着能源效率和环保的日益重要,人们对开关电源待机效率期望越来越高,客户要求电源制造商提供的电源产品能满足BLUEANGEL,ENERGYSTAR,ENERGY2000等绿色能源标准,而欧盟对开关电源的要求是:到2005年,额定功率为0.3W~15W,15W~50W和50W~75W的开关电源,待机功耗需分别小于0.3W,0.5W和0.75W.而目前大多数开关电源由额定负载转入轻载和待机状态时,电源效率急剧下降,待机效率不能满足要求。这就给电源设计工程师们提出了新的挑战。
  二、开关电源功耗分析
  要减小开关电源待机损耗,提高待机效率,首先要分析开关电源损耗的构成。以反激式电源为例,其工作损耗主要表现为:MOSFET导通损耗,MOSFET寄生电容损耗,开关交叠损耗,PWM控制器及其启动电阻损耗,输出整流管损耗,箝位保护电路损耗,反馈电路损耗等。其中前三个损耗与频率成正比关系,即与单位时间内器件开关次数成正比。在待机状态,主电路电流较小,MOSFET导通时间ton很小,电路工作在DCM模式,故相关的导通损耗,次级整流管损耗等较小,此时损耗主要由寄生电容损耗和开关交叠损耗和启动电阻损耗构成。
  三、提高待机效率的方法
  根据损耗分析可知,切断启动电阻,降低开关频率,减小开关次数可减小待机损耗,提高待机效率。具体的方法有:降低时钟频率;由高频工作模式切换至低频工作模式,如准谐振模式(QuasiResonant,QR)切换至脉宽调制(PulseWidthModulation,PWM),脉宽调制切换至脉冲频率调制(PulseFrequencyModulation,PFM);可控脉冲模式(BurstMode)。
  (一)切断启动电阻
  对于反激式电源,启动后控制芯片由辅助绕组供电,启动电阻上压降为300V左右。设启动电阻取值为47kΩ,消耗功率将近2W.要改善待机效率,必须在启动后将该电阻通道切断。TOPSWITCH,ICE2DS02G内部设有专门的启动电路,可在启动后关闭该电阻。若控制器没有专门启动电路,也可在启动电阻串接电容,其启动后的损耗可逐渐下降至零。缺点是电源不能自重启,只有断开输入电压,使电容放电后才能再次启动电路。
  (二)降低时钟频率
  时钟频率可平滑下降或突降。平滑下降就是当反馈量超过某一阈值,通过特定模块,实现时钟频率的线性下降。POWER公司的TOPSwitch-GX和SG公司的SG6848芯片内置了这样的模块,能根据负载大小调节频率。
  (三)切换工作模式
  1.QR→PWM对于工作在高频工作模式的开关电源,在待机时切换至低频工作模式可减小待机损耗。例如,对于准谐振式开关电源(工作频率为几百kHz到几MHz),可在待机时切换至低频的脉宽调制控制模式PWM(几十kHz)。
  IRIS40xx芯片就是通过QR与PWM切换来提高待机效率的。当电源处于轻载和待机时候,辅助绕组电压较小,Q1关断,谐振信号不能传输至FB端,FB电压小于芯片内部的一个门限电压,不能触发准谐振模式,电路则工作在更低频的脉宽调制控制模式。
  2.PWM→PFM
  对于额定功率时工作在PWM模式的开关电源,也可以通过切换至PFM模式提高待机效率,即固定开通时间,调节关断时间,负载越低,关断时间越长,工作频率也越低。图5是采用NS公司的LM2618控制的Buck转换器电路和分别采用PWM和PFM控制方法的效率比较曲线。由图可见,在轻载时采用PFM模式的电源效率明显大于采用PWM模式时的效率,且负载越低,PFM效率优势越明显。将待机信号加在其PW/引脚上,在额定负载条件下,该引脚为高电平,电路工作在PWM模式,当负载低于某个阈值时,该引脚被拉为低电平,电路工作在PFM模式。实现PWM和PFM的切换,也就提高了轻载和待机状态时的电源效率。
  通过降低时钟频率和切换工作模式实现降低待机工作频率,提高待机效率,可保持控制器一直在运作,在整个负载范围中,输出都能被妥善的调节。即使负载从零激增至满负载的情况下,能够快速反应,反之亦然。输出电压降和过冲值都保持在允许范围内。

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