數(shù)字電源技術(shù)助力實(shí)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(guó)家和地區(qū)紛紛發(fā)布了各種節(jié)能規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。例如，國(guó)際能源署(IEA)所倡導(dǎo)“1W計(jì)劃”，美國(guó)環(huán)保署(EPA)的“能源之星”計(jì)劃，以及中國(guó)節(jié)能產(chǎn)品認(rèn)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(jì)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(duì)高端服務(wù)器、存儲(chǔ)器以及通信設(shè)備等電源所設(shè)計(jì)的數(shù)字電源控制器，可支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并利用直觀的圖形用戶界面(GUI)無需用語言進(jìn)行編程，便可在幾分鐘之內(nèi)配置包括頻率、時(shí)序、電壓設(shè)置與保護(hù)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(shí)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(dá)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(xiǎn)，在主開關(guān)與同步整流開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間必須設(shè)定一定的死區(qū)時(shí)間。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，電感電流流過同步整流MOSFET的體二極管。而這個(gè)體二極管一般會(huì)具有較高的前向?qū)妷篤F，在死區(qū)時(shí)間較大時(shí)，會(huì)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(shí)間盡可能小。但是在傳統(tǒng)的模擬方案中，自驅(qū)動(dòng)型除了應(yīng)用的限制外，還很難提供精確的控制時(shí)序;對(duì)于外驅(qū)動(dòng)型，由于其參數(shù)是由電阻、電容等無源器件進(jìn)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(shí)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?fù)潆娐废碌腜WM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(shí)間，其中每次調(diào)整的最小時(shí)間為5ns。

圖2 PWM和SR的GUI設(shè)置界面

伏秒平衡控制技術(shù)

在傳統(tǒng)的橋式拓?fù)潆娐分?，一般為防止變壓器的偏磁，?huì)在變壓器的原邊回路中串入一個(gè)隔直電容器。這樣做存在缺點(diǎn)，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(gè)開關(guān)周期中，ADP1043通過CS1分別測(cè)量流過開關(guān)管A、D和開關(guān)管B、C的電流并計(jì)算其差值，通過差值信號(hào)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)OUTB和OUTD的脈寬，對(duì)失衡進(jìn)行補(bǔ)償。例如，如圖4所示，當(dāng)CS1測(cè)量到流過開關(guān)管B、 C的電流大于開關(guān)管A、D時(shí)，便會(huì)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(huì)減小，而流過開關(guān)管A、D的電流會(huì)增大，經(jīng)過若干周期后，電流自動(dòng)實(shí)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(dòng)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(gè)足夠長(zhǎng)的固定的死區(qū)時(shí)間可確保電源工作在所有條件下。但是對(duì)于一個(gè)典型的應(yīng)用環(huán)境，這個(gè)死區(qū)時(shí)間往往比所需的時(shí)間長(zhǎng)，由于在死區(qū)時(shí)間，是MOSFET的體二極管在導(dǎo)通電流，所以較長(zhǎng)的死區(qū)時(shí)間會(huì)增加損耗，降低電源的效率。ADP1043可根據(jù)負(fù)載的情況，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)死區(qū)的大小，從而使電源在輕載和滿載時(shí)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(shí)的效率也同樣至關(guān)重要。這是因?yàn)樵陔娫磯勖慕^大部分時(shí)間內(nèi)，工作負(fù)荷一般低于60%，電源很少在滿負(fù)荷下(100%)長(zhǎng)時(shí)間工作，在滿載時(shí)能高效工作的系統(tǒng)并不能保證在輕載時(shí)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(duì)于模擬電路來說幾乎是不可能的。