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)備的普遍運(yùn)用對(duì)電網(wǎng)的壓力越來(lái)越大，因而節(jié)能就顯得十分有必要了。
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)鼓舞工程師開(kāi)發(fā)效率更高的產(chǎn)品，特別是在運(yùn)用外置電源的時(shí)分。要滿足這些法規(guī)，半導(dǎo)體公司將發(fā)揮關(guān)鍵作用，它們不時(shí)推出可降低待機(jī)功耗、進(jìn)步效率的產(chǎn)品來(lái)到達(dá)法規(guī)的請(qǐng)求。
運(yùn)用外置電源的產(chǎn)品十分普遍，如筆記本電腦、打印機(jī)、調(diào)制解調(diào)器、電池充電器等。固然這些產(chǎn)品的單個(gè)功耗不大，但其數(shù)量宏大、運(yùn)用頻繁，效 率每進(jìn)步一個(gè)百分點(diǎn)所節(jié)約的能源也是十分可觀的。據(jù)美國(guó)環(huán)境維護(hù)署的能源之星方案預(yù)算，進(jìn)步這些產(chǎn)品的電源效率每年可節(jié)能3200萬(wàn)千瓦時(shí)。
能源之星方案始于20世紀(jì)90年代，其目的是經(jīng)過(guò)進(jìn)步消費(fèi)類電子產(chǎn)品在關(guān)閉或待機(jī)時(shí)的效率來(lái)節(jié)能。該方案在2001年停止了擴(kuò)展，提出了1W議案，請(qǐng)求一些家電和消費(fèi)類電子產(chǎn)品在接到交流市電并待機(jī)時(shí)的功耗小于1W。
要到達(dá)能源之星的規(guī)范，一個(gè)產(chǎn)品必需滿足在“開(kāi)啟”或工作形式，以及“關(guān)閉”或無(wú)負(fù)載(電源曾經(jīng)接到交流市電，但未銜接設(shè)備)兩種狀態(tài)下的效率規(guī)范。這些規(guī)范請(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)試辦法會(huì)在工作形式丈量在輸出標(biāo)稱電流的100%、75%、50%、25%時(shí)的效率，然后計(jì)算四種狀態(tài)下的測(cè)試均勻值，在此根底上，再應(yīng)用表1的公式肯定最小的均勻效率。
如今曾經(jīng)有一些具有本錢(qián)效益的成熟計(jì)劃可滿足上述請(qǐng)求。僅僅在幾年前，笨重的60Hz變壓器、線性穩(wěn)壓器還被以為是容易設(shè)計(jì)且性價(jià)比高的方 案。但是，這種設(shè)計(jì)不能滿足新的規(guī)范。大多數(shù)外置電源都采用了開(kāi)關(guān)形式來(lái)進(jìn)步效率。出于對(duì)外置電源模塊功率級(jí)別的思索，人們通常選用反激式轉(zhuǎn)換器這種拓 撲，這種拓樸能夠運(yùn)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)換器能夠運(yùn)用集成開(kāi)關(guān)
高電壓FET與控制器封裝在一同，從而減少了器件數(shù)量、本錢(qián)和電路板面積。運(yùn)用固定頻率反激式轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)⑦\(yùn)用60Hz變壓器的外置電源的效率，從45%～59%進(jìn)步到75%～85%，而且還有進(jìn)一步進(jìn)步效率的方法。
例如，采用準(zhǔn)諧振技術(shù)能夠減少主開(kāi)關(guān)FET中的開(kāi)關(guān)損耗，能夠?qū)⑿蔬M(jìn)步最多5%，為更好天文解這一點(diǎn)，能夠回憶一下硬開(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，由此招致的很大的峰值電流是開(kāi)關(guān)損耗的主要緣由。
但是，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顯現(xiàn)了這種方式的工作原理。
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)，能夠完成零電壓、高效率，并減小開(kāi)關(guān)FET上的應(yīng)力。
幾種方法能夠進(jìn)步待機(jī)形式的效率，這些辦法通常都采用降低開(kāi)關(guān)頻率的技術(shù)，由于在待機(jī)狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)損耗占了總損耗的大局部，并且與頻率直接相關(guān)。
假如反激式電源工作在非連續(xù)形式下，輸出二極管的開(kāi)關(guān)損耗會(huì)很低，由于在電壓翻轉(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)損耗能夠用式(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。 為改善待機(jī)效率，F(xiàn)PS運(yùn)用了突發(fā)形式來(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)形式減少了對(duì)電源的運(yùn)用
當(dāng)產(chǎn)品的負(fù)載進(jìn)一步減小，反應(yīng)電壓Vfb也會(huì)減小。當(dāng)反應(yīng)電壓低于500mV時(shí)，器件會(huì)自動(dòng)進(jìn)入突發(fā)形式。
主器件依然會(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)反應(yīng)電壓繼續(xù)降低時(shí)，器件仍將繼續(xù)開(kāi)和關(guān)。
當(dāng)反應(yīng)電壓降低到350mV時(shí)，器件將中止開(kāi)關(guān)，電源的輸出電壓將依據(jù)負(fù)載電流的大小，成比例地降低，從而使反應(yīng)電壓升高。
當(dāng)Vfb到達(dá)500mV時(shí)，器件將重新停止開(kāi)關(guān)，反復(fù)上面的過(guò)程。這種突發(fā)形式的益處是能夠大幅降低在待機(jī)形式下糜費(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)形式和活動(dòng)形式的另一種方法是減小耗費(fèi)在啟動(dòng)電阻上的功率，由于除非采用昂貴的切斷電路，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，因而不需求啟動(dòng)電阻。在系統(tǒng)啟動(dòng)之后，電流源與高壓直流局部的銜接會(huì)被切斷，從而節(jié)約更多的能源。
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