低電壓大電流的線性解決方案分析
目前發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)電器產(chǎn)品功耗方面的要求日益嚴(yán)格,并針對(duì)待機(jī)功耗制定了很多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。為了符合這些規(guī)范,很多新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,主要思想是讓開關(guān)電源在負(fù)載很小或空載處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)能夠以較低開關(guān)頻率操作。本文探討脈沖跳躍模式(pulse skipping)、突變模式(burst mode)及非導(dǎo)通時(shí)間調(diào)變(off time modulation)等三種較常用降頻技術(shù),介紹如何降低開關(guān)頻率以達(dá)到減少待機(jī)功耗的目的。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/179234.htm在環(huán)保意識(shí)日益受到重視的綠色時(shí)代,有效利用有限的能源已經(jīng)成為人們的共識(shí)。歐美國(guó)家對(duì)于電器產(chǎn)品在空載待機(jī)時(shí)的功耗定義了明確的規(guī)范,歐盟(EEC)公布的具體規(guī)定如表1所示,而在美國(guó)方面,從2001年7月起該國(guó)就規(guī)定政府機(jī)構(gòu)不得購(gòu)買待機(jī)功耗超過(guò)1W的電器產(chǎn)品。 由此可見,在不久的未來(lái),電源轉(zhuǎn)換器低待機(jī)功耗將成為基本要求,這也是電源設(shè)計(jì)工程師必須面臨的挑戰(zhàn)。
開關(guān)電源損耗分析
開關(guān)電源的損耗包含導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗以及外圍控制電路損耗,電路不同部分的損耗成因各不相同,因此抑制損耗的方法也有不同。需要用數(shù)學(xué)方程式量化這些損耗,進(jìn)而整理出降低各部分損耗的方法,才能得出具體有效降低整體損耗的方案。 為了討論方便,本文以常用的回掃轉(zhuǎn)換器為例,將各部分損耗以數(shù)學(xué)方程式表示,并列出解決方法。表2、表3及表4分別為導(dǎo)通損耗、切換損耗以及外圍控制電路損耗的原因分析與解決對(duì)策。
由這幾張表分析結(jié)果可以很明顯看出,導(dǎo)通損耗和切換損耗與轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率的關(guān)系非常密切,而較高的頻率可以降低轉(zhuǎn)換器對(duì)儲(chǔ)能元件(電感與電容)大小的要求。為了降低轉(zhuǎn)換器待機(jī)時(shí)的損耗而讓轉(zhuǎn)換器在低負(fù)載或空載時(shí)將開關(guān)頻率降低,可以兼顧到元件體積與能量損耗。目前已有多種技術(shù)基于這種概念應(yīng)用到實(shí)際電源管理IC上,以下我們將就其中三種應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)分別介紹其設(shè)計(jì)概念與特性。
脈沖跳躍技術(shù)
圖1為脈沖跳躍技術(shù)示意圖。當(dāng)負(fù)載降低時(shí),驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)的開關(guān)脈沖將被遮蔽(即跳過(guò)),部分脈沖被省略也即等效于降低了開關(guān)頻率,可降低高頻開關(guān)帶來(lái)的損耗,然而這種降頻方式會(huì)造成輸出電壓突降或突升(圖2)。
在回掃轉(zhuǎn)換器里,初級(jí)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)能量?jī)?chǔ)存在變壓器激磁電感中,開關(guān)截止后,原先儲(chǔ)存的能量被釋放到負(fù)載一側(cè)。儲(chǔ)存在激磁電感中的功率可以表示為
(fS×Vin2×TON2)/(2×LP)。 當(dāng)負(fù)載降低到一定程度時(shí),脈沖跳躍機(jī)制將使有效開關(guān)頻率減半,這意味著轉(zhuǎn)換器供應(yīng)負(fù)載的功率減半,因此回掃電路將增加脈沖寬度以補(bǔ)足輸出負(fù)載所需要的功率,而在脈沖寬度增加到負(fù)載所需功率之前,輸出電壓將產(chǎn)生突降。相反的情形發(fā)生在等效開關(guān)頻率增加時(shí),輸出電壓將發(fā)生突升。這種負(fù)載變動(dòng)時(shí)輸出電壓突升與突降是開關(guān)頻率非連續(xù)變動(dòng)(以整數(shù)倍增加或降低)的必然結(jié)果。
突變模式
突變模式技術(shù)又稱打嗝模式(hiccup mode)或周期省略模式(圖3)。在負(fù)載很大情況下,回掃電路根據(jù)輸出電壓變化來(lái)調(diào)制脈沖寬度。 當(dāng)負(fù)載降低到一定程度時(shí),控制電路將維持原有脈沖寬度,轉(zhuǎn)而周期性跳過(guò)部分脈沖,控制電路通過(guò)降低總脈沖寬度或增加遮蔽周期長(zhǎng)度達(dá)到降低損耗的目的。該技術(shù)有兩個(gè)明顯的缺點(diǎn),即低頻干擾會(huì)和遮蔽周期一起出現(xiàn),而且負(fù)載突然改變也會(huì)造成輸出電壓突降。
非導(dǎo)通時(shí)間調(diào)制技術(shù)
圖4顯示了非導(dǎo)通時(shí)間調(diào)制的基本原理。當(dāng)負(fù)載改變時(shí),開關(guān)頻率將連續(xù)降低或增加,開關(guān)頻率與輸出功率的關(guān)系如圖5所示。低負(fù)載或空載時(shí)這種連續(xù)調(diào)變降低開關(guān)頻率的方式除了可以有效降低能量損失外,還可以避免前兩種方法中輸出電壓突升或突降的問題。
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評(píng)論