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(jī)構(gòu)和公用事業(yè)公司提出了一系列的法規(guī)和措施，來鼓舞工程師開發(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)品來抵達(dá)法規(guī)的懇求。
運(yùn)用外置電源的產(chǎn)品非常普遍，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)量龐大、運(yùn)用頻繁，效 率每進(jìn)步一個(gè)百分點(diǎn)所節(jié)約的能源也是非常可觀的。據(jù)美國環(huán)境維護(hù)署的能源之星計(jì)劃預(yù)算，進(jìn)步這些產(chǎn)品的電源效率每年可節(jié)能3200萬千瓦時(shí)。
能源之星計(jì)劃始于20世紀(jì)90年代，其目的是經(jīng)過進(jìn)步消費(fèi)類電子產(chǎn)品在關(guān)閉或待機(jī)時(shí)的效率來節(jié)能。該計(jì)劃在2001年中止了擴(kuò)展，提出了1W議案，懇求一些家電和消費(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。
要抵達(dá)能源之星的標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)產(chǎn)品必需滿足在“開啟”或工作方式，以及“關(guān)閉”或無負(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(huì)在工作方式丈量在輸出標(biāo)稱電流的100%、75%、50%、25%時(shí)的效率，然后計(jì)算四種狀態(tài)下的測試平均值，在此基礎(chǔ)上，再應(yīng)用表1的公式肯定最小的平均效率。
往常曾經(jīng)有一些具有本錢效益的成熟方案可滿足上述懇求。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)不能滿足新的標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)外置電源都采用了開關(guān)方式來進(jìn)步效率。出于對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，這種拓樸可以運(yùn)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)換器可以運(yùn)用集成開關(guān)
高電壓FET與控制器封裝在一同，從而減少了器件數(shù)量、本錢和電路板面積。運(yùn)用固定頻率反激式轉(zhuǎn)換器，可以將運(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，可以將效率進(jìn)步最多5%，為更好天文解這一點(diǎn)，可以回想一下硬開關(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(shí)，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(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FET放電，由此招致的很大的峰值電流是開關(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(jì)，可以完成零電壓、高效率，并減小開關(guān)FET上的應(yīng)力。
幾種辦法可以進(jìn)步待機(jī)方式的效率，這些方法通常都采用降低開關(guān)頻率的技術(shù)，由于在待機(jī)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)。
假設(shè)反激式電源工作在非連續(xù)方式下，輸出二極管的開關(guān)損耗會(huì)很低，由于在電壓翻轉(zhuǎn)之前，流過二極管的電流為零。初級(jí)側(cè)FET的開關(guān)損耗可以用式(1)來近似計(jì)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(shí)間。
PSWfet=1/2VDSIDSpk fSW(tSWon=tSWoff) (1)
為改善待機(jī)效率，F(xiàn)PS運(yùn)用了突發(fā)方式來降低待機(jī)時(shí)的頻率，參見圖4。
圖4 準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器的突發(fā)方式減少了對電源的運(yùn)用
當(dāng)產(chǎn)品的負(fù)載進(jìn)一步減小，反響電壓Vfb也會(huì)減小。當(dāng)反響電壓低于500mV時(shí)，器件會(huì)自動(dòng)進(jìn)入突發(fā)方式。
主器件仍然會(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)反響電壓繼續(xù)降低時(shí)，器件仍將繼續(xù)開和關(guān)。
當(dāng)反響電壓降低到350mV時(shí)，器件將中止開關(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，從而使反響電壓升高。
當(dāng)Vfb抵達(dá)500mV時(shí)，器件將重新中止開關(guān)，重復(fù)上面的過程。這種突發(fā)方式的好處是可以大幅降低在待機(jī)方式下糜費(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)方式和活動(dòng)方式的另一種辦法是減小消耗在啟動(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，因此不需求啟動(dòng)電阻。在系統(tǒng)啟動(dòng)之后，電流源與高壓直流部分的銜接會(huì)被切斷，從而節(jié)約更多的能源。
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