降低外置電源的能量消耗的方法

節(jié)能設(shè)計正在席卷整個電子行業(yè)。電子設(shè)備的廣泛使用對電網(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，來鼓勵工程師開發(fā)效率更高的產(chǎn)品，尤其是在使用外置電源的時候。要滿足這些法規(guī)，半導(dǎo)體公司將發(fā)揮關(guān)鍵作用，它們不斷推出可降低待機功耗、提高效率的產(chǎn)品來達(dá)到法規(guī)的要求。

　　使用外置電源的產(chǎn)品非常廣泛，如筆記本電腦、打印機、調(diào)制解調(diào)器、電池充電器等。雖然這些產(chǎn)品的單個功耗不大，但其數(shù)量巨大、使用頻繁，效 率每提高一個百分點所節(jié)約的能源也是非?？捎^的。據(jù)美國環(huán)境保護署的能源之星計劃估算，提高這些產(chǎn)品的電源效率每年可節(jié)能3200萬千瓦時。

　　能源之星計劃始于20世紀(jì)90年代，其目的是通過提高消費類電子產(chǎn)品在關(guān)閉或待機時的效率來節(jié)能。該計劃在2001年進行了擴展，提出了1W議案，要求一些家電和消費類電子產(chǎn)品在接到交流市電并待機時的功耗小于1W。

　　要達(dá)到能源之星的標(biāo)準(zhǔn)，一個產(chǎn)品必須滿足在“開啟”或工作模式，以及“關(guān)閉”或無負(fù)載(電源已經(jīng)接到交流市電，但未連接設(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在工作模式測量在輸出標(biāo)稱電流的100%、75%、50%、25%時的效率，然后計算四種狀態(tài)下的測試平均值，在此基礎(chǔ)上，再利用表1的公式確定最小的平均效率。

　　現(xiàn)在已經(jīng)有一些具有成本效益的成熟方案可滿足上述要求。僅僅在幾年前，笨重的60Hz變壓器、線性穩(wěn)壓器還被認(rèn)為是容易設(shè)計且性價比高的方 案。然而，這種設(shè)計不能滿足新的標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)外置電源都采用了開關(guān)模式來提高效率。出于對外置電源模塊功率級別的考慮，人們通常選用反激式轉(zhuǎn)換器這種拓 撲，這種拓樸可以使用集成的功率開關(guān)，如Fairchild Power Switch(FPS)，見圖1。

　　圖1 普通的反激式轉(zhuǎn)換器可以使用集成開關(guān)

　　高電壓FET與控制器封裝在一起，從而減少了器件數(shù)量、成本和電路板面積。使用固定頻率反激式轉(zhuǎn)換器，可以將使用60Hz變壓器的外置電源的效率，從45%～59%提高到75%～85%，而且還有進一步提高效率的辦法。

　　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，可以將效率提高最多5%，為更好地理解這一點，可以回顧一下硬開關(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，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充電。當(dāng)FET重新回到導(dǎo)通狀態(tài)時，這些寄生電容又會對FET放電，由此導(dǎo)致的很大的峰值電流是開關(guān)損耗的主要原因。

　　然而，在準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器中，控制器會檢測FET的源漏極間的電壓，控制器僅在源漏極間的電壓最小時的第一個波谷處使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顯示了這種方式的工作原理。