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降低外部电源单元的功耗

更新日期:2007-12-19  作者:  来源:光学精密机械网(ChinaOptic.Com.Cn)收集整理

来源:21IC中国电子  作者:飞兆半导体公司Carl Walding


“绿色”电源挟着充分优势在功率电子行业中普及使用。电子设备的日益增多为全国供电网带来了不断增长的压力。此外,节省能源的需求刻不容缓。政府机构和公共事业企业正在制定一系列规范,积极鼓励工程师开发功效更高的电子产品,尤其是在使用外部电源时。半导体企业正通过不断推出降低待机功耗、提高效率的新产品,在协助厂商符合这些规范的过程中起着越来越重要的作用。

笔记本电脑、打印机、调制解调器、电池充电器等等,需要外部电源的产品形形式式,不能尽录。尽管其中许多产品各自消耗的功率甚微,但大量的产品加在一起使用,如因功效提高而节省的能源就非常可观了。据美国环境保护署 (US Environmental Protection Agency) 能源之星计划 (Energy Star program) 估计,若提高这些电源的效率,每年便可节省可达320亿千瓦小时的能源。

这些产品即使在待机状态或处于“睡眠”模式时,为了保持产品接通和运行所需的各项功能,仍然需要消耗功率。能源之星计划是在90年代末期展开,旨在通过提高各种消费电子产品待机时的效率来实现节能。2001年,该计划随着1瓦倡议 (One Watt Initiative) 的推出而进一步扩大,1瓦功耗已成为众多交流电网供电家用产品和消费产品的待机功耗限定值。而这一限制正越来越严格,对外部电源而言目前的待机功耗更需要小于1瓦。

能源之星计划对外部电源的定义是:把交流电网电压转换为单路直流或交流低输出电压的独立于终端产品的设备。为满足能源之星的认证要求,产品必需满足在正常工作状态,待机状态以及空载状态的效率要求。能源之星对空载的定义是:电源输入端连接到交流电网上,而输出端不连接负载。比如,手机拔离了充电器,但充电器仍然插在交流电源插座上。表 1 和表 2 (1) 对这些规范进行了总结。 


 


表中,Ln 代表自然对数。根据能源之星的外部电源测试方法,在工作状态中输出电流分别为额定电流的 100%、75%、50% 和 25% 时对效率进行测试,然后算出这四个数值的算术平均值 (2),在此基础上,利用表 1 列出的公式,即可计算出最小平均效率。




设计工程师必须选定最具成本效益的方法来满足上述要求。不久之前,获得所需功率的简单易行、别具成本效益的方法是采用笨重的60 Hz变压器的降压线性稳压器。然而,这种方案不能满足上述新规范。因此,大多数外部电源都采用开关模式电源来提高效率。在外部电源所需的功率级方面,反激式转换器是常见的拓扑选择。

图1所示为采用了飞兆半导体功率开关 (FPS™) 的普通输出反激式电源的模块示意图。 

               
图1.  采用FPS的反激式转换器示意图

这种方案在同一个封装中集成了高压FET与控制器,减少了外部元件数目,从而节省成本和PCB板面积。采用成熟的固定频率反激式转换器,较之旧有60 Hz变压器方案,效率可得到大幅度提高。利用 60 Hz变压器和降压线性调节器,效率一般在45-50% 范围;而反激式开关模式电源的效率通常可达 75-85%。不过,有些方法可以提高传统固定频率反激式转换器的效率。

例如,可以通过用准谐振技术取代标准固定频率开关电源来提高效率。准谐振开关模式电源可通过减小主开关FET的开关损耗来提高效率。利用准谐振技术,较之标准固定频率硬开关转换器,效率可提高5%。为了更好地理解这一点,我们先回顾一下硬开关变换器的工作过程。图2显示了传统反激式转换器的开关波形。 
 
图2.  硬开关反激式转换器的MOSFET波形

在传统的反激式转换器中,当FET关断时,电路周围的各种寄生电容包括FET的 Coss、变压器电容和反射二极管电容等,会进行充电。当FET导通时,这些寄生电容会通过FET放电,产生很大的电流尖峰。而该电流尖峰会造成开关损耗。不过,在准静态转换器中,可利用控制器检测FET的漏源电压,并在漏源电压达到第一个最小值或谷底时启动FET。结果是准谐振转换器的开关频率与振荡器无关,而是和初级线圈电感、谐振电容、输入电压及输出功率有关。图3显示了该准谐振开关的工作过程。 
 
图3.  准谐振状态下MOSFET的源漏电压

准谐振开关的结果是大大减小电流尖峰,从而降低开关损耗、提高效率,同时还减少EMI信号。在某些电源设计中,甚至可能获得零电压开关。除提高效率之外,开关FET中的应力也得到减轻,因而提高了可靠性。飞兆半导体拥有一系列专门针对不同功率需求而设计的准谐振功率开关。

提高待机模式下的效率方法不太多,通常都类似于降频技术,因为负载减小时,开关损耗在总体损耗中所占的比例增大。由于初级端FET及输出二极管的开关损耗与频率有直接关系,故通过降低频率可以降低损耗。如果反激式电源工作在断续电流模式 (DCM)下,由于二极管上的电流在其上电压反向之前降至零,输出二极管的开关损耗相当低。初级端FET中的损耗可由式1估算。 


上式中,VDS是漏源电压,fSW是开关频率,IDSpk是转换时的峰值漏极电流,tSWon 和 tSWoff是转换时间。从式1可见,开关损耗随开关频率的减小而减小。许多最新的数字存储示波器都具有测量开关器件功耗的能力。在获得漏极电流和漏源电压之后, 示波器的先进数学功能可以推算出器件的总体功耗。

为了提高待机效率,FPS采用了间歇工作模式方法来降低频率。图4显示了FPS是如何在待机模式下工作的。 

 
图4.  FPS的间歇工作模式

产品负载减小时,反馈电压Vfb也随之减小。当反馈电压低于500mV时,器件自动进入间歇工作模式。主器件的开关转换仍在继续,但内部限流降低以限制变压器中的磁通密度。随反馈电压继续下降,转换继续进行。一旦反馈电压达到350 mV,转换停止,电源的输出电压以某个由负载电流决定的速率下降。这反过来又使反馈电压上升。当Vfb上升到500 mV时,转换恢复,过程重复,反馈电压又开始下降。这种间歇工作模式的最终结果是大幅降低待机功耗。飞兆半导体的FSDH321就是一个实例,该器件在带0.3W负载时输入功率只有0.65 W。

降低待机功耗的另一个方法是减小启动电阻的功耗。由于使用了启动电阻,只要电源接通交流电源,电阻就会消耗功率,除非采用了昂贵的断路电路。但大多数FPS器件都不需要启动电阻。由于器件内置有高压电流源,这种功耗会被减小。系统启动之后,电流源从高压直流电网断开,这样就节省了能源。

参考文献
1.    ENERGY STAR Program Requirements for Single Voltage Ac-Dc and Ac-Ac External Power Supplies, page 3, 4
2.    Calwell Chris, Foster Suzanne, Reeder Travis; Ecos Consulting; Mansoor Arshad; Power Electronics Application Center (EPRI-PEAC); Test Method for Calculating Energy Efficiency of Single Voltage External Ac-Dc and Ac-Ac Power Supplies, August 11, 2004, page 9. 

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